902 902 902 902 902 9024 HepG2 9052. Стимулирующие рост эффекты PQQ, PQQH 2 и IPQ. Чтобы изучить эффекты PQQ, PQQH 2 и IPQ на пролиферацию клеток, клетки SK-N-SH и HepG2 культивировали с различными концентрациями PQQ, PQQH 2 и IPQ в течение 72 и 48 часов соответственно. Жизнеспособность клеток измеряли с помощью анализа МТТ. PQQ и IPQ показали пролиферативное действие клеток в зависимости от концентрации, хотя PQQH 2 не оказал влияния на клетки HepG2 (A). Было показано, что клетки SK-N-H (1–500 нМ), которые являются нервными клетками, более чувствительны к PQQ и IPQ, чем клетки HepG2, полученные из печени (1–10 мкМ).Результаты показывают, что реактивность PQQ и IPQ варьируется в зависимости от тканей или клеток.
Сравнение эффектов PQQ, PQQH 2 и IPQ на пролиферацию клеток и их защитных эффектов против гибели клеток, вызванной H 2 O 2 в клетках SK-N-SH и клетках HepG2. (A) Чтобы определить эффекты PQQ, PQQH 2 и IPQ на пролиферацию клеток, клетки SK-N-SH и клетки HepG2 инкубировали с различными концентрациями PQQ и IPQ в течение 72 часов и 48 часов соответственно.После инкубации жизнеспособность клеток определяли с помощью МТТ-анализа. Каждое значение представляет собой среднее значение ± SEM (n = 3–5). * p <0,05 по сравнению с контролем по критерию Даннета. (B) Защитные эффекты PQQ, PQQH 2 и IPQ против гибели клеток, вызванной H 2 O 2 . Клетки SK-N-SH и клетки HepG2 подвергали воздействию H 2 O 2 (5 мМ) в присутствии или в отсутствие PQQ и IPQ в течение 10 мин. После инкубации жизнеспособность клеток определяли с помощью МТТ-анализа. Жизнеспособность клеток без H 2 O 2 считалась 100%.Каждое значение представляет собой среднее значение ± SEM (n = 3–5). ** p <0,01, * p <0,05 по сравнению с 5 мМ H 2 O 2. по критерию Даннета.
3.3. Защитные эффекты PQQ, PQQH
2 и IPQ против гибели клеток, вызванной H 2 O 2 в клетках SK-N-SH и клетках HepG2 Анализ МТТ был проведен для изучения защитных эффектов PQQ, PQQH 2 и IPQ по гибели клеток SK-N-SH и HepG2 путем инкубации клеток с H 2 O 2 в течение 10 мин.Как показано на B, PQQ при 100 нМ показал значительный защитный эффект против гибели клеток SK-N-SH, вызванной H 2 O 2 . PQQH 2 показал слабое защитное действие на клетки. IPQ в концентрации 1–500 мкМ не показал защитного действия. PQQ показал слабый защитный эффект на клетки HepG2. PQQH 2 при 50 мкМ и 100 мкМ показал значительный защитный эффект на клетки. IPQ показал слабое защитное действие на клетки. Результаты показали, что PQQ обладает более высокой антиоксидантной активностью, чем IPQ.Эти результаты показывают, что антиоксидантная активность PQQ и IPQ варьируется в зависимости от тканей или клеток.
3.4. Сравнение защитных эффектов PQQ, PQQH
2 и IPQ против гибели клеток SK-N-SH, индуцированной 6-OHDA и TG Для сравнения способности PQQ, PQQH 2 и IPQ защищать от 6- OHDA-индуцированная нейротоксичность, клетки SK-N-SH подвергались воздействию 6-OHDA (0, 50 мкМ и 100 мкМ) в течение 24 часов в присутствии PQQ, PQQH 2 или IPQ ().Они предотвращали гибель клеток, вызванную 6-OHDA, при концентрациях от 1 до 100 нМ. Эти результаты показывают, что PQQ, PQQH 2 и IPQ оказывают защитное действие против нейротоксичности, вызванной 6-OHDA, при низких концентрациях. После обработки жизнеспособность клеток измеряли с помощью анализа МТТ. Значения (среднее ± SEM, n = 3-5) выражены в процентах по отношению к необработанным клеткам. PQQ, PQQH 2 и IPQ не показали защитных эффектов против гибели клеток, вызванной TG (данные не показаны).
Сравнение защитных эффектов PQQ, PQQH 2 и IPQ против гибели клеток, вызванной 6-OHDA.Клетки SK-N-SH подвергали воздействию 6-OHDA (0, 50 мкМ и 100 мкМ) в течение 24 часов в присутствии PQQ, PQQH 2 или IPQ. После обработки жизнеспособность клеток определяли с помощью МТТ-анализа. Значения (среднее ± SEM, n = 3-5) выражены в процентах по отношению к необработанным клеткам. ** p <0,01, * p <0,05 по сравнению с контролем по критерию Даннета.
3.5. Экспрессия COX4 / 1 и PGC1a после инкубации с PQQ, PQQH
2 и IPQ Сообщалось, что PQQ участвует в производстве энергии и в увеличении количества митохондрий.ОТ-ПЦР выполняли с использованием зонда TaqMan, чтобы определить увеличение количества митохондрий. Как показано на фиг.4, уровень экспрессии COX4 / 1 значительно повышался в присутствии 100 нМ PQQ, PQQH 2 или IPQ в клетках SK-N-SH. В присутствии 1 мкМ PQQ, PQQH 2 или IPQ уровень экспрессии COX4 / 1 проявлял тенденцию к увеличению в клетках HepG2. Уровень экспрессии PGC1α также значительно увеличивался в клетках SK-N-SH и клетках HepG2 в присутствии PQQ, PQQH 2 и IPQ.GAPDH, который, как считалось, присутствует во всех клетках в одинаковом количестве, был использован в качестве вещества внутреннего стандарта. PQQ, PQQH 2 и IPQ в концентрации 100 нМ увеличивали уровни экспрессии COX4 / 1 и PGC1α в клетках SK-N-SH. Было обнаружено, что PQQ и IPQ увеличивают количество митохондрий также в нервной системе человека. Усиление митохондриальной продукции может в конечном итоге способствовать росту нервных клеток и клеток печени.
Экспрессия COX4 / 1 и PGC1α в клетках SK-N-SH и клетках HepG2 после инкубации клеток с PQQ, PQQH 2 и IPQ.(A) экспрессия COX4 / 1 в клетках SK-N-SH, (B) экспрессия COX4 / 1 в клетках HepG2 (C) экспрессия PGC1α в клетках SK-N-SH, (D) экспрессия PGC1α в клетках HepG2. Суммарные мРНК экстрагировали из клеток SK-N-SH и клеток HepG2, которые культивировали в течение 24 часов после добавления PQQ, PQQH 2 и IPQ. Сто нМ и 1 мкМ PQQ, PQQH 2 или IPQ добавляли к клеткам SK-N-SH и клеткам HepG2 соответственно. Тотальные РНК выделяли из культивируемых клеток. Суммарные РНК (3-5 мкг) транскрибировали в кДНК с помощью количественных полимеразных цепных реакций в реальном времени с зондами TaqMan для COX4 / 1 и PGC1α.Относительные количества транскриптов COX4 / 1 и PGC1α были нормализованы до уровня сообщения GAPDH. Каждое значение представляет собой среднее значение ± SEM (n = 3–5). *** p <0,001, ** p <0,01, * p <0,05 по сравнению с контролем по критерию Даннета.
3.6. Влияние PQQ и IPQ на обучающую память
Чтобы определить влияние PQQ и IPQ на способность к обучению памяти старых мышей (возраст 48 недель), был проведен пошаговый тест пассивного избегания. PQQ и IPQ в дозах 5,0 мг / кг вводили внутрибрюшинно 47-недельным мышам (n = 8) в течение 7 дней.Как показано на фиг.2, время, необходимое для входа в темную комнату в испытаниях по приобретению (испытания IL), было почти одинаковым у контрольных мышей и мышей, которым вводили PQQ и IPQ. Однако в испытаниях по регенерации (испытания SIL), проведенных через 24 часа, время, необходимое для входа в темную комнату, было примерно в 3 раза и в 2 раза больше для мышей, которым вводили PQQ и IPQ, соответственно. Из результатов стало ясно, что PQQ и IPQ улучшают способность мышей к обучению памяти.
Шаг через задержку задачи пассивного избегания для мышей, которым назначены PQQ и IPQ.Физиологический раствор вводили внутрибрюшинно (i.p.) в течение 10 дней перед испытаниями в качестве контроля (n = 8 для каждого эксперимента). PQQNa 2 (5,0 мг / кг МТ) и IPQNa 3 (5,0 мг / кг МТ) вводили внутрибрюшинно. вводили за 7 дней до испытаний (n = 8) и вводили за 30 минут до испытаний (n = 8) ** p <0,01, * p <0,05 по сравнению с контролем по t-критерию Стьюдента.
3.7. Тест MoCA
Изменения в оценках составили 0,60 ± 0,31 в группе плацебо и 1,25 ± 0,35 в группе PQQ, что указывает на то, что прием PQQ увеличивал оценки, но незначительно (p = 0.118) (). Таким образом, оценки были проанализированы по семи доменам. В языковой задаче изменение оценок в группе плацебо составило 0,15 ± 0,13, а в группе PQQ — 0,65 ± 0,13, что указывает на то, что прием PQQ значительно повысил оценки (p <0,05) ().
Тест MoCA. (A) Общие баллы, (B) Баллы в каждой области. Сорок здоровых мужчин и женщин в возрасте от 50 до 71 года (14 мужчин и 26 женщин) были отнесены к группе приема пищи, содержащей PQQ (BioPQQ® в дозе 20 мг в день), и группе приема пищи плацебо.Чтобы получить единообразный результат теста, каждая группа была случайным образом распределена по возрасту и полу перед употреблением тестируемой пищи. Субъектов кормили один раз в день после завтрака в течение 12 недель. Тест MoCA состоит из 30 баллов (Визуально-пространственное: 5, Именование: 3, Внимание: 6, Язык: 3, Абстракция: 2, Отложенный отзыв: 5, Ориентация: 6). * p <0,05 по сравнению с контролем по t-критерию Стьюдента.
4. Обсуждение
Различные исследования PQQ проводились с момента открытия PQQ в 1974 году [1,2,3,4].Kasahara et al. сообщили о PQQ как о 14-м витамине в 2003 году, и в их отчете был проявлен большой интерес. Однако были также подняты вопросы, и необходимы дополнительные исследования [31]. Сообщалось, что PQQ может предотвратить снижение функции мозга у пожилых людей, особенно внимания и рабочей памяти [27, 30]. Также сообщалось, что PQQ может способствовать снижению уровня сахара в крови [32, 33] и восстановлению после сердечного приступа [34]. Однако механизмы действия PQQ до сих пор неизвестны. Кроме того, из-за высокой реакционной способности PQQ и легкого образования аддуктов с аминокислотами структуры, которые действительно проявляют физиологическую активность in vivo , до сих пор неизвестны.Чтобы получить представление о механизмах действия PQQ и PQQH 2 и изучить эффект IPQ, физиологические активности PQQ, PQQH 2 и IPQ сравнивали в различных экспериментах. Как показано на рисунке, IPQ оказался менее токсичным для клеток SK-N-SH и HepG2, что указывает на то, что PQQ может проявлять токсичность в отношении участка хинона или его степени окисления. Результаты сравнения эффектов PQQ и IPQ на пролиферацию клеток показаны в A. PQQ и IPQ показали более слабое влияние на пролиферацию клеток HepG2, чем на пролиферацию клеток SK-N-SH.Таким образом было показано, что механизм действия может быть различным в зависимости от типа клеток. Были сообщения о том, что PQQ индуцирует пролиферацию фибробластов и увеличивает NGF [12], но этот отчет является первым сообщением о влиянии PQQ на клетки SK-N-SH и клетки HepG2 человека. Как показано на B, PQQ имел защитный эффект против окислительного стресса, но защитный эффект IPQ был очень слабым в клетках HepG2 и SK-N-SH. PQQ защищал от окислительного повреждения, вызванного H 2 O 2 , потому что он имеет много восстанавливающих сайтов и показал защитный эффект при более низкой концентрации, чем IPQ.IPQ имеет меньше восстанавливающих сайтов из-за добавления глицина. Было высказано предположение, что клеткам HepG2 требуется больше PQQ из-за большего повреждения, вызванного перекисью водорода, чем клеткам SK-N-SH. По-видимому, это связано с тем, что хиноновый фрагмент участвует в защитном эффекте против окислительного стресса. Существует вероятность того, что количество рецепторов или связывающих белков различается в зависимости от клеток.
6-OHDA — нейротоксин, который, как известно, вызывает симптомы болезни Паркинсона при введении мышам.О защитном эффекте PQQ на 6-OHDA с использованием клеток нейробластомы человека SH-SY5Y уже сообщалось [22]. В этом исследовании защитный эффект PQQ на 6-OHDA был показан при концентрации 15 мкМ. В настоящем исследовании гибель клеток SK-N-SH, вызванная 6-OHDA, предотвращалась с помощью PQQ, PQQH 2 и IPQ в концентрациях 1–100 нМ. Эти результаты показали, что PQQ, PQQH 2 и IPQ предотвращают гибель нервных клеток при очень низких концентрациях. Сообщалось, что 6-OHDA вызывает дегенерацию нейронов, ингибируя аутофагию, которая обрабатывает денатурированные белки, и ингибируя глутатионредуктазу [35, 36].В клетках SK-N-SH PQQ, PQQH 2 и IPQ эффективны при низких концентрациях, что позволяет предположить, что они более эффективны в индукции аутофагии, чем снижение окислительного стресса с помощью 6-OHDA. Было высказано предположение, что эффект PQQ, PQQH 2 и IPQ в низкой концентрации обусловлен их ингибирующим действием на аутофагию. Эти данные также показали, что SK-N-SH может обладать более чувствительным механизмом, чем SH-SY5Y, против 6-OHDA. Было высказано предположение, что чувствительность PQQ-связывающего белка или рецептора в клетках SK-N-SH и SH-SY5Y различается, но необходимо дальнейшее сравнение.Следовательно, они могут быть эффективными для профилактики и лечения болезни Паркинсона. PQQ, PQQH 2 и IPQ не показали защитного действия на гибель клеток, вызванную TG. Эффект PQQ и IPQ может не быть связан со стрессом эндоплазматического ретикулума.
Чтобы определить влияние PQQ, PQQH 2 и IPQ на способность к обучению памяти старых мышей, был проведен пошаговый тест пассивного избегания. Как показано на фиг.4, в испытаниях по регенерации (испытания SIL), проведенных через 24 часа, время, необходимое для входа в темную комнату, было примерно в 3 раза и в 2 раза больше для мышей, которым вводили PQQ и IPQ, соответственно.Из результатов стало ясно, что PQQ и IPQ улучшают память и способность к обучению мышей. Однако остается много неясных моментов в отношении того, как PQQ и IPQ включены и действуют в организме. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы выяснить механизмы, лежащие в основе действия PQQ и IPQ.
Было показано, что PQQ и PQQH 2 имели почти одинаковую реакционную способность in vivo . Было также показано, что активна одна из форм или обе молекулярные формы. Чтобы оценить влияние PQQ на когнитивные функции человеческого мозга, была проведена MoCA.Изменения в оценках составили 0,60 ± 0,31 в группе плацебо и 1,25 ± 0,35 в группе PQQ, что указывает на то, что прием PQQ увеличивал оценки, но незначительно (p = 0,118) (A). Таким образом, оценки были проанализированы по семи доменам. В языковой задаче изменение оценок в группе плацебо составило 0,15 ± 0,13, тогда как в группе PQQ оно составило 0,65 ± 0,13, что указывает на то, что прием PQQ значительно повысил оценки (p <0,05) (B). MoCA - это испытание, которое проверяет легкую деменцию (MCI) и простые сложные задачи.Поэтому маловероятно, что в исследованиях на здоровых людях будут получены повышенные оценки. Однако в нашем исследовании, вопреки ожиданиям, оценки за языковые задания были значительно увеличены. Причина в том, что языковые задания в тесте MoCA сложны. В самом деле, мы считаем, что потребление BioPQQ® значительно повысило баллы в этом исследовании, поскольку баллы предварительного тестирования были значительно ниже, чем баллы других задач. В исследованиях на людях с использованием BioPQQ®, тесты touchM и Stroop показали улучшение функции мозга [27, 29].Настоящее исследование показало, что BioPQQ® эффективен для улучшения когнитивных функций.
Mitchell et al. [6] сообщили, что PQQ очень реактивен с аминокислотами, особенно с глицином, и что 98% PQQ превращается в IPQ in vitro. Они также подсчитали, что сумма PQQ и IPQ в грудном молоке человека составила 140–180 нг / мл (~ 0,5 мкМ). Однако физиологическая активность IPQ не исследовалась. В нашем биологическом эксперименте с использованием клеток SK-N-SH и в нашем эксперименте на животных с использованием мышей IPQ показал защитный эффект против 6-OHDA и способствовал пролиферации клеток, увеличению COX4 / 1 и PGC1α, улучшению памяти и способности к обучению, поскольку сделал PQQ.Сообщалось также, что концентрация PQQ в крови повышалась при приеме PQQ [37, 38]. Этот PQQ не полностью изменяется на IPQ даже в среде, в которой PQQ легко заменяется на IPQ. Принимая во внимание эти факты, было высказано предположение, что физиологические эффекты PQQ являются комбинированными эффектами PQQ и IPQ. Считалось, что существует конвертирующий фермент, который превращает IPQ в PQQ. Необходимы дополнительные эксперименты по кинетике PQQ и IPQ in vivo . Результаты показали, что IPQ можно применять в добавках для защиты клеток и поддержания познания из-за его низкой цитотоксичности и высокой стабильности.
5. Заключение
Было высказано предположение, что IPQ безопаснее, чем PQQ, и что цитотоксичность обоих зависит от хинонового фрагмента. Было показано, что различные защитные эффекты PQQ и IPQ в отношении окислительного стресса зависят от хинонового фрагмента. Эффекты PQQ и IPQ на пролиферацию клеток и экспрессию генов зависели от типа клеток, SK-N-SH и HepG2. Вполне возможно, что восприимчивость различается в зависимости от клеток. И PQQ, и IPQ показали когнитивные эффекты в экспериментах на мышах.Результаты показали, что IPQ функционирует как PQQ in vivo . Результаты также показали, что IPQ можно применять в добавках для защиты клеток и поддержания познания из-за его низкой цитотоксичности и высокой стабильности.
Заявления
Заявление автора о вкладе
Ясуэ Ямада: задумал и спроектировал эксперименты; Проанализировал и интерпретировал данные; Написал газету.
Казуя Нишии, Кодзи Кувата, Масаши Накамичи, Кей Наканиши: Провел эксперименты; Предоставленные реагенты, материалы, инструменты анализа или данные.
Ацуши Сугимото: проводил эксперименты; Проанализировал и интерпретировал данные; Предоставленные реагенты, материалы, инструменты анализа или данные; Написал газету.
Кадзуто Икемото: Предоставленные реагенты, материалы, инструменты анализа или данные; Написал газету.
Отчет о финансировании
Это исследование проводится при поддержке программы Matching Planner Programme от Японского агентства по науке и технологиям (JST). ID; MP28116808481.
Заявление о конкурирующих интересах
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Дополнительная информация
Дополнительная информация для этого документа недоступна.
Благодарности
Мы хотели бы поблагодарить г-жу Кейко Бесшо за ее помощь в подготовке этой рукописи. Мы также хотели бы поблагодарить Тацуя Шинохара, Наоя Нобутани, Такахуми Хори, Сэйити Эги, Юта Ямаура, Шинья Мацуока, Юма Ямаока, Хироки Номура, Кодай Кубо, Сёго Нишида и Хиронори Фудзивара за их помощь в экспериментах.
Список литературы
1. Солсбери С.А., Форрест Х.С., Круз У.Б.Т., Кеннард О. Новый кофермент бактериальной первичной алкогольдегидрогеназы. Природа. 1979; 280: 843–844. [PubMed] [Google Scholar] 2. Duine J.A., Frank J., Van J.K., Zeeland Глюкозодегидрогеназа из acinetobacter calcoaceticus: хинопротеин. FEBS Lett. 1979; 108: 443–446. [PubMed] [Google Scholar] 3. Акагава М., Накано М., Икемото К. Недавний прогресс в исследованиях пользы пирролохинолинхинона для здоровья. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2016; 80 (1): 13–22. Epub 2015 13 июля.[PubMed] [Google Scholar] 4. Ракер Р., Чованадисай В., Накано М. Потенциальное физиологическое значение пирролохинолинхинона. Альтерн. Med. Ред. 2009; 14 (3): 268–277. [PubMed] [Google Scholar] 5. Кумазава Т., Сато К., Сено Х., Исии А., Судзуки О. Уровни пирролохинолинхинона в различных продуктах питания. Biochem. J. 1995; 307: 331–333. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 6. Митчелл А.Е., Джонес А.Д., Мерсер Р.С., Ракер Р. Б. Характеристика производных пирролохинолинхинона аминокислот с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением и обнаружения в материнском молоке.Анальный. Biochem. 1999; 269: 317–325. [PubMed] [Google Scholar] 7. Stites T.E., Mitchell A.E., B Rucker R. Физиологическое значение хиноферментов и кофакторов семейства O-хинонов. J. Nutr. 2000. 130 (4): 719–727. [PubMed] [Google Scholar] 8. Акагава М., Минемацу К., Шибата Т., Кондо Т., Исии Т., Утида К. Идентификация лактатдегидрогеназы как пирролохинолинхинон (PQQ)-связывающего белка млекопитающих. Sci. Отчет 2016; 6: 26723. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 9. Хе К., Нукада Х., Ураками Т., Мерфи М. Антиоксидантные и прооксидантные свойства пирролохинолинхинона (PQQ): последствия для его функции в биологических системах. Biochem. Pharmacol. 2003. 65: 67–74. [PubMed] [Google Scholar] 10. Нуноме К., Миядзаки С., Накано М., Игучи-Арига С., Арига Х. Пирролохинолинхинон предотвращает вызванную окислительным стрессом гибель нейронов, вероятно, за счет изменений в окислительном статусе DJ-1. Биол. Pharm. Бык. 2008. 31 (7): 1321–1326. [PubMed] [Google Scholar] 11. Zhang Y., Feustel P.J., Kimelberg H.K.Нейропротекция пирролохинолинхиноном (PQQ) при обратимой окклюзии средней мозговой артерии у взрослых крыс. Brain Res. 2006. 1094 (1): 200–206. [PubMed] [Google Scholar] 12. Ямагути К., Сасано А., Ураками Т., Цуджи Т., Кондо К. Стимуляция выработки фактора роста нервов пирролохинолинхиноном и его производными in vitro и in vivo. Biosci. Biotechnol. Biochem. 1993. 57 (7): 1231–1233. [PubMed] [Google Scholar] 13. Стайтс Т., Стормс Д., Бауэрли К., Мах Дж., Харрис К., Фашетти А., Роджерс К., Tchaparian E., Satre M., Rucker R.B. Пирролохинолинхинон модулирует количество и функцию митохондрий у мышей. J. Nutr. 2006. 136 (2): 390–396. [PubMed] [Google Scholar] 14. Chowanadisai W., Bauerly K.A., Tchaparian E., Wong A., Cortopassi G.A., Rucker R.B. Пирролохинолинхинон стимулирует митохондриальный биогенез за счет фосфорилирования белка, связывающего элемент ответа цАМФ, и увеличения экспрессии PGC-1alpha. J. Biol. Chem. 2010. 285 (1): 142–152. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 15.Мукаи К., Оучи А., Накано М. Кинетическое исследование реакции гашения синглетного кислорода пирролохинолехинолом (PQQH 2 , восстановленная форма пирролохинолинехинона) в мицеллярном растворе. J. Agric. Food Chem. 2011. 59 (5): 1705–1712. [PubMed] [Google Scholar] 16. ван Клиф М.А., Йонгеян Дж. А., Дуайн Дж. А. Факторы, влияющие на реакцию пирролохинолинхинона с аминокислотами. Аналитические и механистические выводы. Евро. J. Biochem. 1989. 183 (1): 41–47. [PubMed] [Google Scholar] 17. Найто Ю., Кумазава Т., Кино И., Судзуки О. Влияние пирролохинолинхинона (PQQ) и PQQ-оксазола на синтез ДНК в культивируемых фибробластах человека. Life Sci. 1993. 52 (24): 1909–1915. [PubMed] [Google Scholar] 18. Цучида Т., Ясуяма Т., Хигучи К., Ватанабэ А., Ураками Т., Акаике Т., Сато К., Маеда Х. Защитный эффект пирролохинолинхинона и его производных против повреждения печени крыс, вызванного тетрахлорметаном. J. Gastroenterol. Гепатол. 1993. 8 (4): 342–347. [PubMed] [Google Scholar] 19. Ураками Т., Yoshida C., Akaike T., Maeda H., Nishigori H., Niki E. Синтез моноэфиров пирролохинолинхинона и имидазопирролохинолина, а также активность по улавливанию радикалов с использованием электронно-спинового резонанса in vitro и фармакологическая активность in vivo. J. Nutr. Sci. Витаминол. 1997. 43 (1): 19–33. [PubMed] [Google Scholar] 21. Глинка Ю., Гассен М., Юдим М. Б. Механизм нейротоксичности 6-гидроксидофамина. J. Neural Transm. Дополнение 1997; 50: 55–66. [PubMed] [Google Scholar] 22. Хара Х., Хирамацу Х., Адачи Т.Пирролохинолинхинон является мощным нейропротекторным питательным веществом против нейротоксичности, вызванной 6-гидроксидофамином. Neurochem. Res. 2007. 32 (3): 489–495. [PubMed] [Google Scholar] 24. Бауэрли К., Харрис К., Чованадисай В., Грэм Дж., Гавел П.Дж., Чапариан Э., Сатре М., Карлинер Дж. С., Рукер Р. Б. Изменение статуса питания пирролохинолинхинона модулирует митохондриальный, липидный и энергетический метаболизм у крыс. PLoS One. 2011; 6 (7) [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 25. Ямагути К., Цудзи Т., Уэмура Д., Кондо К. Индукция циклооксигеназы важна для усиления синтеза NGF индукторами NGF в L-M клетках. Biosci. Biotechnol. Biochem. 1996. 60 (1): 92–94. [PubMed] [Google Scholar] 26. Такацу Х., Овада К., Абэ К., Накано М., Урано С. Влияние витамина Е на обучение и дефицит памяти у старых крыс. J. Nutr. Sci. Витаминол. 2009. 55 (5): 389–393. [PubMed] [Google Scholar] 27. Ито Й., Хайн К., Миура Х., Уэтаке Т., Накано М., Такемура Н., Сакатани К. Влияние антиоксидантной добавки пирролохинолинхинон динатриевой соли (BioPQQ ™) на когнитивные функции.Adv. Exp. Med. Биол. 2016; 876: 319–325. [PubMed] [Google Scholar] 28. Сасакура Х., Морибе Х., Накано М., Икемото К., Такеучи К., Мори И. Увеличение продолжительности жизни с помощью пероксидазы и двойной оксидазной передачи сигналов АФК через пирролохинолинхинон у C. elegans. J. Cell Sci. 2017; 130 (15): 2631–2643. [PubMed] [Google Scholar] 29. Импи С., Смит Д.М., Обриетан К., Донахью Р., Уэйд К., Сторм Д. Стимуляция транскрипции, опосредованной элементом ответа цАМФ (CRE), во время контекстного обучения. Nat. Neurosci. 1998. 1 (7): 595–601.[PubMed] [Google Scholar] 30. Накано М., Мураяма Ю., Ху Л., Икемото К., Уэтаке Т., Сакатани К. Влияние антиоксидантных добавок (BioPQQ ™) на церебральный кровоток и метаболизм кислорода в префронтальной коре. Adv. Exp. Med. Биол. 2016; 923: 215–222. [PubMed] [Google Scholar] 31. Касахара Т., Като Т. Новый витамин с редокс-кофактором для млекопитающих. Природа. 2003; 422 (6934): 832. [PubMed] [Google Scholar] 32. Takada M., Sumi M., Maeda A., Watanabe F., Kamiya T., Ishii T., Nakano M., Akagawa M. Пирролохинолинхинон, новый ингибитор протеинтирозинфосфатазы 1B, активирует передачу сигналов инсулина в мышечных трубках C2C12 и улучшает нарушение толерантности к глюкозе у мышей с диабетом KK-A (y).Biochem. Биофиз. Res. Commun. 2012. 428 (2): 315–320. [PubMed] [Google Scholar] 33. Кумар Н., Кар А. Пирролохинолинхинон (PQQ) обладает потенциалом для уменьшения индуцированного стрептозотоцином сахарного диабета и окислительного стресса у мышей: гистопатологическое и биохимическое исследование. Chem. Биол. Взаимодействовать. 2015; 240: 278–290. [PubMed] [Google Scholar] 34. Zhu B.Q., Zhou H.Z., Teerlink J.R., Karliner J.S. Пирролохинолинхинон (PQQ) уменьшает размер инфаркта миокарда и улучшает сердечную функцию на моделях ишемии и ишемии / реперфузии на крысах.Кардиоваск. Наркотики Ther. 2004. 18 (6): 421–431. [PubMed] [Google Scholar] 35. Дагда Р.К., Дас Банерджи Т., Янда Э. Как паркинсонические токсины нарушают регуляцию механизма аутофагии. Int. J. Mol. Sci. 2013. 14 (11): 22163–22189. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 36. Chen J.H., Ou H.P., Lin C.Y., Lin F.J., Wu C.R., Chang S.W., Tsai C.W. Карнозиновая кислота предотвращает индуцированную 6-гидроксидофамином гибель клеток в клетках SH-SY5Y посредством опосредования синтеза глутатиона. Chem. Res. Toxicol. 2012; 25 (9): 1893–1901. [PubMed] [Google Scholar] 37.Noji N., Nakamura T., Kitahata N., Taguchi K., Kudo T., Yoshida S., Tsujimoto M., Sugiyama T., Asami T. Простой и чувствительный метод анализа пирролохинолинхинона (PQQ) в различных пищевых продуктах с использованием жидкостная хроматография / тандемная масс-спектрометрия с электрораспылением и ионизацией. J. Agric. Food Chem. 2007. 55 (18): 7258–7263. [PubMed] [Google Scholar] 38. Фукуда М., Эль-Маграбей М.Х., Кишикава Н., Икемото К., Курода Н. Сверхчувствительное определение пирролохинолинхинона в плазме человека с помощью ВЭЖХ с детектированием хемилюминесценции с использованием окислительно-восстановительного цикла хинона.J. Pharm. Биомед. Анальный. 2017; 145: 814–820. [PubMed] [Google Scholar] Последние достижения в исследованиях пользы пирролохинолинхинона для здоровья | Биология, биотехнология и биохимия
Аннотация
Пирролохинолинхинон (PQQ), ароматический трициклический или -хинон, был первоначально идентифицирован как окислительно-восстановительный кофактор бактериальных дегидрогеназ. Хотя PQQ не биосинтезируется у млекопитающих, следовые количества PQQ были обнаружены в тканях человека и крысы из-за его широкого распространения в пищевых источниках.Важно отметить, что исследования питания на грызунах показали, что дефицит PQQ вызывает различные системные реакции, включая нарушение роста, иммунную дисфункцию и аномальные репродуктивные функции. Хотя PQQ в настоящее время не классифицируется как витамин, PQQ считается важным питательным веществом для млекопитающих. В последние годы PQQ привлекает большое внимание из-за его физиологического значения и фармакологических эффектов. В этой статье мы рассматриваем потенциальную пользу PQQ для здоровья с акцентом на его стимулирующую рост, антидиабетический эффект, антиоксидантное действие и нейропротекторную функцию.Кроме того, мы предоставляем обновленную информацию о его базовой фармакокинетике и безопасности при пероральном приеме.
Строение и окислительно-восстановительная реакция пирролохинолинхинона (PQQ).
Пирролохинолинхинон (PQQ, рис. 1) представляет собой ароматический трициклический o -хинон, который служит окислительно-восстановительным кофактором ряда прокариотических дегидрогеназ, таких как дегидрогеназы алкоголя и сахара. 1,2 ) Совсем недавно первая эукариотическая PQQ-зависимая сахарная оксидоредуктаза была обнаружена в грибе, базидиомицете Coprinopsis cinerea . 3 , ) Хотя PQQ не биосинтезируется у млекопитающих, следовые количества PQQ были обнаружены в тканях человека и крысы от пикомолярных до наномолярных уровней, 4 , ) и особенно большое количество был обнаружен в материнском молоке 5 , ) из-за его присутствия в повседневных продуктах питания, включая овощи и мясо. 6–8 , ) PQQ — это повсеместная молекула, которая влияет на множество физиологических и биохимических процессов, и было установлено, что она полезна для роста и устойчивости к стрессу как у бактерий, так и у высших организмов. 9,10 ) Что наиболее важно, исследования питания показали, что дефицит PQQ у мышей и крыс проявляет различные системные реакции, включая нарушение роста, ослабленную иммунную реакцию, аномальные репродуктивные функции и снижение респираторного фактора. 11–13 , ) Кроме того, в 2003 году Касахара и Като сообщили, что PQQ можно квалифицировать как новичок в группе витаминов B. 14 , ) Эти авторы клонировали предполагаемый мышиный гомолог ( U26 ) дрожжевого гена, 2 — редуктазы аминоадипиновой кислоты ( LYS2 ), и предположили, что U26 может быть задействован. в метаболической деградации пищевого лизина, действующего как PQQ-зависимая 2-аминоадипическая 6-полуальдегиддегидрогеназа, поскольку U26 содержал предполагаемый мотив связывания PQQ, который является консервативным среди бактериальных PQQ-зависимых дегидрогеназ. 14 , ) Однако утверждения о витамине млекопитающих были подвергнуты сомнению, поскольку убедительные доказательства существования PQQ-зависимого фермента млекопитающих отсутствуют. 15,16 ) Хотя в настоящее время остается спорным вопрос о том, действительно ли PQQ является важным витамином для млекопитающих, было обнаружено, что PQQ обладает разнообразным спектром физиологических свойств, которые могут быть полезны для здоровья человека за последнее десятилетие. Цели этого обзора заключались в том, чтобы, во-первых, представить обзор недавних выводов о потенциальной пользе для здоровья PQQ в антидиабетическом, антиоксидантном и нейропротекторном действиях, а во-вторых, обновить информацию о его метаболизме и безопасности в фармакологических приложениях. .
Рис. 1.
Структура и окислительно-восстановительная реакция пирролохинолинхинона (PQQ).
Рис. 1.
Структура и окислительно-восстановительная реакция пирролохинолинхинона (PQQ).
I. Химическая природа PQQ
PQQ (4,5-дигидро-4,5-диоксо-1 H -пирроло [2,3- f ] хинолин-2,7,9-трикарбоновая кислота) является окислительно-восстановительным активом o -хинон который может быть обратимо восстановлен до пирролохинолинхинола (4,5-дигидрокси-1 H -пирроло [2,3- f ] хинолин-2,7,9-трикарбоновой кислоты, PQQH 2 ) через промежуточное соединение семихинона (Инжир.1). 17 , ) Было продемонстрировано, что PQQ стабильно действует как эффективный катализатор переноса электрона от ряда органических субстратов к молекулярному кислороду (O 2 ), создавая хинопротеиновые модельные реакции. В присутствии аскорбата, NAD (P) H и тиоловых соединений, таких как глутатион, PQQ подвергается двухэлектронному восстановлению с образованием PQQH 2 . 18–20 , ) Впоследствии образовавшийся PQQH 2 окисляется обратно до исходного хинона посредством восстановления двух эквивалентов O 2 до супероксидного аниона (), который спонтанно или ферментативно дисмутируется до перекись водорода (H 2 O 2 ). 21 , ) Следует отметить, что PQQ обладает способностью катализировать непрерывный окислительно-восстановительный цикл, так что пикомольные количества PQQ способны образовывать микромолярные количества продукта. 17,22 ) Между тем, PQQ может оказывать прооксидантное действие за счет образования активных форм кислорода (ROS), таких как H 2 O 2 , посредством его окислительно-восстановительного цикла при определенных условиях и индуцировать окислительные процессы. модификации белков, включая окисление цистеинилтиолов. 23 , ) PQQ также катализирует окисление первичных аминов, включая ε-аминогруппу остатков лизина в эластине и коллагене, посредством образования основания Шиффа в аэробных условиях. 24 , ) Окисление эластина PQQ в присутствии Cu 2+ приводит к образованию 2-аминоадиповых полуальдегидных остатков и, в конечном итоге, к ковалентным поперечным сшиваниям на их основе. С другой стороны, PQQ легко реагирует с аминокислотами с образованием производных имидазола, таких как имидазолопирролохинолинхинон, в биологических образцах, и эти производные в некоторых случаях являются биологически активными. 5,8 ) Протонированная форма PQQ, показанная на фиг. 1, лишь незначительно растворяется в воде, а трикарбоновая кислота PQQ диссоциирует в воде с нейтральным pH. Поэтому динатриевая соль PQQ (PQQ Na 2 ) обычно используется в различных исследованиях из-за ее высокой растворимости в отходах. Атомная геометрия PQQ Na 2 (коммерчески доступного как BioPQQ ™, торговая марка Mitsubishi Gas Chemical Co., Inc. (Токио, Япония)) была определена с использованием рентгеноструктурного анализа монокристаллов как PQQ Na 2 тригидрат. 25 ) PQQ Na 2 имеет преимущество при применении в различных экспериментах по сравнению с PQQ в свободной форме, поскольку с ним легко работать благодаря его водорастворимым свойствам. BioPQQ ™, химически хорошо охарактеризованный, использовался в следующих исследованиях.
II. Природный источник PQQ
Хорошо известно, что PQQ повсеместно распространен в природе и содержится во многих пищевых источниках, включая ферментированные соевые бобы (натто), чай, зеленый перец, петрушку, киви и грудное молоко. 5,6 ) Были разработаны различные методы инструментального анализа и биоанализов на PQQ, но содержание PQQ в пищевых продуктах варьируется в разных отчетах, поскольку PQQ химически активен и склонен к образованию производных или продуктов конденсации с другими питательными веществами. 5,6,8,26,27 ) Kumazawa et al. разработали метод, основанный на газовой хроматографии / масс-спектрометрии (ГХ / МС) с изотопным разбавлением для свободного PQQ после дериватизации с гидроксидом фенилтриметиламмония. 4,6,7 ) С помощью этого аналитического метода уровни свободного PQQ в различных пищевых продуктах, включая овощи, фрукты и чай, были определены в диапазоне 3,7–61 нг / г сырого веса или нг. / мл в жидкой пище. Недавние анализы PQQ с использованием надежного метода тандемной масс-спектрометрии жидкостной хроматографии / электрораспылительной ионизации (ЖХ / МС / МС) показали, что свободный PQQ присутствует в различных образцах пищевых продуктов в диапазоне 0,19–7,02 нг / г сырой массы или нг / мл. в жидкой пище. 8 , ) На основании имеющихся данных о составе пищевых продуктов, 4–7 , ) считается, что люди потребляют 0.1–1,0 мг PQQ и его производных в день. 28 )
Биосинтез PQQ в высших организмах не был показан, и поэтому считается, что основной источник PQQ в этих организмах, включая растения и животных, происходит от микроорганизмов. Детали биосинтеза PQQ еще не решены, но предполагаемый путь был предложен на основе функций консервативных генов у многих бактерий. 29 , ) Большинство бактерий, продуцирующих PQQ, содержат шесть генов ( pqqABCDEF ) в опероне. 10,30 ) Эти гены экспрессируются в Escherichia coli , продуценте, не являющемся PQQ, и приводят к продукции PQQ. 31,32 ) Исследования генетического нокаута каждого из этих генов показывают, что четыре из шести генных продуктов (PqqA, PqqC, PqqD и PqqE) абсолютно необходимы для производства PQQ. 32,33 ) Во всех случаях pqqA кодирует небольшой полипептид, обычно длиной 20–30 аминокислот, содержащий консервативный глутамат и тирозин, которые служат основой биогенеза PQQ. 34,35 ) Глутамат и тирозин подвергаются посттрансляционным модификациям с образованием промежуточного соединения 3 a — (2-амино-2-карбоксиэтил) -4,5-диоксо-4,5,6,7, 8,9-гексагидрохинолин-7,9-дикарбоновая кислота (AHQQ). 32,34 ) PqqC является наиболее охарактеризованным и, как было показано, катализирует восьмиэлектронное окисление и циклизацию кольца AHQQ с образованием PQQ. 35 , ) Большое количество бактерий внеклеточно выделяет PQQ, что выражается в микрограммах на мл бульонной культуры. 36 , ) С другой стороны, обычные штаммы бактерий в кишечном тракте человека, по-видимому, синтезируют мало PQQ, 37,38 ) и, следовательно, кажется, что потребление пищи является основным источником PQQ в организме человека.
III. Ростовая активность
Хотя у животных не было идентифицировано ферментов, которые использовали бы PQQ в качестве кофактора, было показано, что PQQ необходим для нормального роста и развития животных.Когда PQQ исключается из химически определенного рациона мышей и крыс, наблюдаются различные системные реакции, включая нарушение роста, иммунную дисфункцию, снижение репродуктивной способности и снижение респираторного коэффициента. 11–14 , ) Пероральный прием PQQ (более 300 нг / г рациона) улучшает репродуктивную функцию и увеличивает скорость роста новорожденных по сравнению с реакцией на диеты, лишенные PQQ. 12 , ) Совсем недавно было показано, что пищевая добавка PQQ Na 2 цыплятам-бройлерам улучшает показатели роста, выход туши, иммунитет и статус в плазме. 39 ) Таким образом, это уникальное соединение характеризуется как важный фактор роста или предполагаемое необходимое питательное вещество для животных, в то время как питательные преимущества PQQ для роста и развития человека до сих пор неизвестны. Хотя подробный механизм действия PQQ у животных все еще остается неясным, способность выполнять непрерывный окислительно-восстановительный цикл предполагает роль PQQ как кофактора, сигнальной молекулы окислительно-восстановительного потенциала или антиоксиданта.
В культивируемых клетках человека и мыши PQQ также действует как потенциальный фактор роста, способствуя пролиферации клеток при добавлении в культуральную среду. 40–42 , ) PQQ усиливает включение [ 3 H] -тимидина в фибробласты кожи человека, культивируемые в среде, содержащей PQQ в концентрациях от 3 нМ. Kumazawa et al. наблюдали, что обработка PQQ стимулирует активацию регулируемой внеклеточным сигналом киназы 1/2 (ERK 1/2) в мышиных фибробластах NIH / 3T3, трансформированных c-Ha- ras , что приводит к повышенной пролиферации клеток. 41 , ) ERK, одна из митоген-активируемых протеинкиназ, активирует транскрипцию в пути передачи сигналов ras и играет ключевую роль в пролиферации и выживании клеток. 43 , ) Эта передача сигнала путем последовательного фосфорилирования часто инициируется связыванием пептидных факторов роста с рецепторными тирозинкиназами (RTK). Недавно мы показали, что PQQ также значительно усиливает пролиферацию эпителиальных клеток человека A431 при концентрациях выше 10 нМ. 42 , ) Кроме того, мы обнаружили, что PQQ индуцирует активацию (аутофосфорилирование тирозина) рецептора эпидермального фактора роста (EGFR), RTK семейства ErbB, и его нижестоящую мишень ERK 1/2 в лиганд- независимая манера.Активация пути ERK, сопровождающего фосфорилирование EGFR посредством связывания EGF, играет важную роль в пролиферации эпителиальных клеток. С другой стороны, передача сигналов EGFR негативно регулируется протеинтирозинфосфатазой 1B (PTP1B), которая катализирует дефосфорилирование тирозина активированного EGFR, а ингибирование PTP1B, как сообщается, вызывает лиганд-независимую активацию EGFR. 44,45 ) Недавние открытия также показывают, что активность PTP1B модулируется посттрансляционной модификацией, такой как окисление и алкилирование чрезвычайно реактивного остатка цистеина в каталитическом центре. 46 , ) На основании этих фактов мы выяснили, что PQQ ингибирует PTP1B за счет окисления каталитического цистеинилтиола H 2 O 2 , образующегося во время его окислительно-восстановительного цикла, тем самым индуцируя лиганд- независимая активация EGFR (рис. 2). PTP1B обладает субстрат-специфической способностью дефосфорилировать RTK, включая рецептор инсулина (IR), 47 , ) рецептор инсулиноподобного фактора роста I, 47 , ) тромбоцитарный рост рецептор фактора роста, 48 , ) рецептор фактора роста эндотелия сосудов, 49 , ) и рецептор фактора роста нервов (NGF), 50 ) , влияющий на модуляцию множественных факторов роста — активированные сигнальные пути.Следовательно, наши данные предполагают, что ингибирование PTP1B посредством окислительно-восстановительного цикла с помощью PQQ может вызывать широкий спектр физиологических эффектов через усиленную RTK-опосредованную передачу сигналов и экспрессию генов и оказывать действие, подобное фактору роста.
Рис. 2.
Предлагаемый механизм лиганд-независимой активации передачи сигналов рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) посредством окислительно-восстановительного цикла пирролохинолинхинона (PQQ). PQQ подвергается окислительно-восстановительному циклу в присутствии восстановителей, таких как аскорбат и глутатион, а затем производит H 2 O 2 .Образующийся H 2 O 2 инактивирует протеинтирозинфосфатазу 1B (PTP1B) посредством окисления каталитического цистеинилтиола (Cys-215) до соответствующей сульфеновой кислоты (–SOH), сульфиновой кислоты (–SO 2 H) , и сульфоновая кислота (–SO 3 H). Ингибирование PTP1B вызывает EGF-независимую активацию (фосфорилирование тирозина) EGFR и последующую активацию (фосфорилирование серина / треонина) ERK 1/2.
Рис. 2.
Предлагаемый механизм лиганд-независимой активации передачи сигналов рецептора эпидермального фактора роста (EGFR) посредством окислительно-восстановительного цикла пирролохинолинхинона (PQQ).PQQ подвергается окислительно-восстановительному циклу в присутствии восстановителей, таких как аскорбат и глутатион, а затем производит H 2 O 2 . Образующийся H 2 O 2 инактивирует протеинтирозинфосфатазу 1B (PTP1B) посредством окисления каталитического цистеинилтиола (Cys-215) до соответствующей сульфеновой кислоты (–SOH), сульфиновой кислоты (–SO 2 H) , и сульфоновая кислота (–SO 3 H). Ингибирование PTP1B вызывает EGF-независимую активацию (фосфорилирование тирозина) EGFR и последующую активацию (фосфорилирование серина / треонина) ERK 1/2.
IV. Антидиабетические эффекты
На долю сахарного диабета 2 типа (СД2) в последние десятилетия во всем мире приходится 90–95% населения, страдающего диабетом, а также заболеваемость и смертность, связанные с вторичными осложнениями этого заболевания, такими как ретинопатия, нефропатия и сердечно-сосудистые заболевания. значительно увеличились. 51 , ) СД2 характеризуется митохондриальным нарушением и хронической гипергликемией и дислипидемией, возникающими в результате инсулинорезистентности периферических тканей и нарушения секреции инсулина поджелудочной железой. 52 , ) Митохондрии регулируют метаболические пути посредством передачи сигналов, которые необходимы для метаболического гомеостаза и функционирования клеток. Недавние исследования показывают, что митохондриальная дисфункция у диабетиков тесно связана с факторами образа жизни, включая диету, физическую активность, сон и стресс. 53,54 ) Продолжительные упражнения и диетическое вмешательство могут обратить, по крайней мере, частично, митохондриальную недостаточность и улучшить метаболическую гибкость и чувствительность к инсулину у пациентов с СД2. 54,55 ) Недавно было обнаружено, что пищевые добавки PQQ улучшают функцию митохондрий и биогенез, а также улучшают метаболический гомеостаз у мышей и крыс. 56–58 , ) Дефицит PQQ у молодых мышей увеличивает уровень глюкозы в плазме, снижает содержание митохондрий в печени на 20–30% и подавляет митохондриальное дыхание. 56 , ) Точно так же крысы, получавшие диету с дефицитом PQQ, демонстрируют повышенное содержание липидных и кетоновых тел в плазме из-за более низкого содержания митохондрий и снижения расхода энергии. 57 , ) Что еще более важно, добавка PQQ обращает вспять митохондриальные изменения и метаболические нарушения и значительно улучшает липидный профиль у диабетических крыс UCD-T2DM. 56,57 ) Механически биогенез и функция митохондрий стимулируются транскрипционным коактиватором, рецептором гамма-коактиватором-1 альфа, активируемым пролифератором пероксисом (PGC-1α), посредством активации ядерного респираторного фактора (NRF-1 и NRF). -2). 59 , ) Белок, связывающий цАМФ-чувствительный элемент (CREB) фактора транскрипции, увеличивает транскрипцию PGC-1α через консервативный сайт связывания CREB в проксимальном промоторе и активируется при физической нагрузке или голодании. 60 , ) В самом деле, воздействие PQQ на гепатоциты Hepa 1-6 мыши повышает активность промотора PGC-1α за счет усиления транскрипционной активности CREB и стимуляции митохондриального биогенеза (Рис. 3 (A)). 57,61 ) Воздействие PQQ также увеличивает уровни NRF-1 и NRF-2, что приводит к усилению регуляции митохондриального фактора транскрипции A (Tfam) и экспрессии митохондриальных генов.Однако молекулярный механизм, лежащий в основе активации сигнального пути CREB-PGC-1α с помощью PQQ, остается неясным.
Рис. 3.
Пирролохинолинхинон (PQQ) -индуцированная активация цАМФ-зависимого белка, связывающего элемент (CREB), рецептора гамма-коактиватора-1 альфа, активируемого пролифератором пероксисомы (PGC-1α), и передачи сигналов инсулина. (A) Предлагаемый механизм PQQ-индуцированной активации сигнального пути CREB-PGC-1α. PQQ стимулирует фосфорилирование и активацию CREB и усиливает экспрессию PGC-1α.Повышенный PGC-1α связывает и коактивирует транскрипционную функцию ядерного респираторного фактора (NRF) -1/2 на промоторе митохондриального фактора транскрипции A (Tfam). Tfam играет решающую роль в регулировании амплификации мтДНК и митохондриального биогенеза. (B) Предлагаемый механизм лиганд-независимой активации передачи сигналов инсулина посредством окислительно-восстановительного цикла PQQ. PQQ ингибирует протеинтирозинфосфатазу 1B (PTP1B), чтобы окислительно модифицировать каталитический цистеин за счет его активности окислительно-восстановительного цикла.Ингибирование PTP1B вызывает инсулино-независимую активацию (фосфорилирование тирозина) рецептора инсулина (IR) и последующее фосфорилирование субстрата-1 рецептора инсулина (IRS-1) и Akt. Фосфорилированный Akt стимулирует транслокацию транспортера глюкозы 4 (GLUT4) к плазматической мембране, что приводит к увеличению поглощения глюкозы клетками.
Рис. 3.
Пирролохинолинхинон (PQQ) -индуцированная активация цАМФ-чувствительного элемента-связывающего белка (CREB) -пероксисомный пролифератор-активатор рецептора гамма-коактиватор-1 альфа (PGC-1α) и передача сигналов инсулина.(A) Предлагаемый механизм PQQ-индуцированной активации сигнального пути CREB-PGC-1α. PQQ стимулирует фосфорилирование и активацию CREB и усиливает экспрессию PGC-1α. Повышенный PGC-1α связывает и коактивирует транскрипционную функцию ядерного респираторного фактора (NRF) -1/2 на промоторе митохондриального фактора транскрипции A (Tfam). Tfam играет решающую роль в регулировании амплификации мтДНК и митохондриального биогенеза. (B) Предлагаемый механизм лиганд-независимой активации передачи сигналов инсулина посредством окислительно-восстановительного цикла PQQ.PQQ ингибирует протеинтирозинфосфатазу 1B (PTP1B), чтобы окислительно модифицировать каталитический цистеин за счет его активности окислительно-восстановительного цикла. Ингибирование PTP1B вызывает инсулино-независимую активацию (фосфорилирование тирозина) рецептора инсулина (IR) и последующее фосфорилирование субстрата-1 рецептора инсулина (IRS-1) и Akt. Фосфорилированный Akt стимулирует транслокацию транспортера глюкозы 4 (GLUT4) к плазматической мембране, что приводит к увеличению поглощения глюкозы клетками.
Инсулинорезистентность, определяемая как дисфункция клеток-мишеней инсулина, таких как гепатоциты, клетки скелетных мышц и адипоцитов, в ответ на действие инсулина, играет ключевую роль в развитии некоторых метаболических нарушений и СД2.Снижение инсулинорезистентности считается основной клинической стратегией улучшения метаболического контроля у пациентов с СД2. Молекулярная патофизиология инсулинорезистентности до сих пор не изучена, но ряд доказательств указывает на критическую роль PTP1B в развитии инсулинорезистентности. PTP1B негативно регулирует передачу сигналов инсулина, катализируя дефосфорилирование тирозиновых остатков в активированном IR и IR субстрате-1 (IRS-1). 47,62 ) Недавно сообщалось о корреляции между состояниями инсулинорезистентности и повышающей регуляцией экспрессии PTP1B в жировой и мышечной тканях у людей. 63–65 , ) Кроме того, трансгенная сверхэкспрессия PTP1B в мышцах ослабляет тирозилфосфорилирование IR и IRS-1, что приводит к инсулинорезистентности. 66 , ) С другой стороны, мыши с нокаутом PTP1B проявляют повышенную чувствительность к инсулину с повышенным фосфорилированием тирозила IR в печени и мышцах. 67,68 ) Таким образом, ингибирование PTP1B стало потенциальной терапевтической стратегией для лечения T2DM. 69 , ) Совсем недавно мы обнаружили, что PQQ вызывает лиганд-независимую активацию передачи сигналов инсулина путем ингибирования клеточного PTP1B и усиливает захват глюкозы за счет транслокации транспортера глюкозы 4 в мышечных трубках C2C12 мыши (рис. 3 (B). )). 70 ) Кроме того, мы продемонстрировали, что пероральное введение PQQ (20 мг · кг -1 день -1 ) в течение двух недель улучшало нарушение толерантности к глюкозе у диабетиков 2 типа KK- A y мышей.Наши результаты ясно показывают, что PQQ может быть полезен в антидиабетическом лечении пациентов с СД2.
В. Антиоксидантное действие
PQQ легко восстанавливается до PQQH 2 реакцией с восстановителями, такими как НАДФН, боргидрид натрия, глутатион или цистеин. Пара исследований in vitro продемонстрировала, что восстановленная форма PQQ (PQQH 2 ) проявляет антиоксидантную способность. 71–75 , ) Активность PQQH 2 по улавливанию ароксильных радикалов составляла 7.В 4 раза больше, чем у витамина С, который известен как самый активный водорастворимый антиоксидант. 73 , ) Было обнаружено, что активность PQQH 2 по подавлению синглетного кислорода в 6,3 раза выше, чем у витамина C. 74 , ) Интересно, что PQQH 2 работает. в качестве катализатора в реакциях гашения синглетного кислорода. Более того, было разъяснено, что PQQH 2 может быстро превращать две молекулы α-токофероксильных радикалов в α-токоферол. 75 ) Эти результаты показывают, что прооксидантный эффект α-токофероксильных радикалов подавляется сосуществованием PQQH 2 . Резюме реакции тушения радикалов показано на рис. 4.
Рис. 4.
Сводка реакций радикального тушения. Пирролохинолинхинол (PQQH 2 ) может быть получен из пирролохинолинхинона (PQQ) восстановлением НАДФН, цистеина и глутатиона. Ароксильные радикалы, синглетный кислород и α-токофероксильные радикалы гасятся с помощью PQQH 2 .
Рис. 4.
Сводка реакций радикального тушения. Пирролохинолинхинол (PQQH 2 ) может быть получен из пирролохинолинхинона (PQQ) восстановлением НАДФН, цистеина и глутатиона. Ароксильные радикалы, синглетный кислород и α-токофероксильные радикалы гасятся с помощью PQQH 2 .
В экспериментах с использованием культивированных клеток сообщалось, что PQQ Na 2 предотвращает вызванную окислительным стрессом гибель нейронов. 76,77 ) Было показано, что PQQ предотвращает индуцированную 6-гидроксидофамином (6-OHDA) гибель клеток линии дофаминергической нейробластомы SH-SY5Y и первичных нейронов крыс, и что его профилактический эффект был сильнее, чем у витамин С и Е. 76 , ) 6-OHDA — это хорошо известный нейротоксин, который нарушает митохондриальный комплекс I, что приводит к образованию ROS, таких как гидроксильные радикалы, и H 2 O 2 . Аналогичные результаты были получены в эксперименте с H 2 O 2 . 77 )
Более того, заметное снижение ишемических повреждений обнаружено в моделях in vivo на крысах, таких как сердечно-сосудистые 78,79 ) или модели церебральной ишемии. 80,81 ) Были выяснены основные механизмы, заключающиеся в том, что PQQ действует как антиоксидант, поглощая и защищая митохондрии от повреждений, вызванных окислительным стрессом. 58 )
У людей после однократной дозы PQQ Na 2 (0,2 мг / кг массы тела) продукты реакции с тиобарбитуровой кислотой (TBARS), которые измеряются малоновым диальдегидом, образующимся из гидропероксидов липидов, значительно уменьшилось с течением времени исследования. 28 ) Кроме того, изменение значений TBARS достоверно коррелировало с максимальной концентрацией в плазме ( C max ) для PQQ Na 2 . Эти результаты предполагают, что PQQ обладает потенциалом в качестве антиоксиданта.
VI. Нейропротекция и функция мозга
VI.I. Исследования in vitro
Нейроны подвержены летальному исходу от окислительного стресса. Эта гибель нейронов считается причиной нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.В исследованиях in vitro была проверена способность PQQ Na 2 защищать клетки нейробластомы человека SH-SY5Y от окислительного стресса с помощью 6-OHDA или H 2 O 2 . 76,77 ) Жизнеспособность клеток восстанавливалась дозозависимым образом путем добавления PQQ Na 2 . Ингибирующая активность PQQ Na 2 была намного выше, чем у витамина C или витамина E в тестируемых концентрациях. Эти результаты предполагают, что защитный эффект PQQ в отношении нейротоксичности, вызванной 6-OHDA или H 2 O 2 , особенно важен для его функции как поглотителя радикалов.
Одним из интересных эффектов PQQ является усиление производства NGF. NGF, белок, состоящий из 118 аминокислотных остатков, хорошо известен как нейротрофический фактор, необходимый для развития и поддержания периферических симпатических и сенсорных нейронов. Показано, что PQQ оказывает стимулирующее действие на синтез / секрецию NGF в астроглиальных клетках и клетках фибробластов без цитотоксичности. 82,83 ) Точный механизм усиления NGF с помощью PQQ еще не ясен; однако предполагается, что активация циклооксигеназы является важным процессом, поскольку индукция NGF ингибируется ингибитором циклооксигеназы или дексаметазоном. 84 )
VI.II. Исследования in vivo
Влияние PQQ на функцию обучения и памяти молодых крыс исследовали с использованием теста в водном лабиринте Морриса. 85 , ) Крыс в этом исследовании кормили диетой с добавлением 20 мг PQQ Na 2 / (кг массы тела / день) в течение девяти недель. Крысы, получавшие диету с добавлением PQQ Na 2 , показали значительно лучшую способность к обучению, чем контрольные крысы.Кроме того, после получения гипероксии для индукции окислительного стресса в течение 48 часов крысы, получавшие рацион с добавлением PQQ Na 2 , показали лучшую функцию памяти, чем контрольные крысы. Комбинация PQQ Na 2 (20 мг PQQ / (кг массы тела / день)) с коэнзимом Q10 (300 мг / (кг массы тела / день)) показала синергетические эффекты на функцию памяти. Эффект не зависит от витамина E, потому что крысы с дефицитом витамина E не проявляли эффекта от рациона с добавлением PQQ Na 2 . Подобные эффекты наблюдались у старых крыс. 86 ) Эти результаты предполагают, что PQQ потенциально эффективен для предотвращения нейродегенерации, вызванной окислительным стрессом.
VI.III. Исследования на людях
Плацебо-контролируемое двойное слепое исследование с использованием повторяемой батареи для оценки нейропсихологического статуса (RBANS) было проведено с участием 65 японских субъектов в возрасте от 50 до 70 лет, у которых были обнаружены самоидентифицируемые забывчивость или забывчивость, выявленная член семьи, коллега или знакомый. 87 , ) RBANS — нейропсихологическая батарея, разработанная Randolph в США. 88 ) Нейропсихологическая батарея вопросов позволяет многократно и быстро оценивать нарушения высших функций мозга с различными осложнениями заболеваний головного мозга. Содержание RBANS состоит из пяти субтестов парадигм нейрокогнитивных тестов [немедленная память, зрительно-пространственная / конструктивная, язык, внимание и отложенная память]. Хотя группы PQQ Na 2 (20 мг / день) и PQQ Na 2 (20 мг / день) + коэнзим Q10 (300 мг / день) показали значительно лучший общий балл с течением времени, с течением времени наблюдалось аналогичное улучшение. в группе плацебо.Различия в показателях немедленной памяти на восьмой неделе были значительно лучше в группе PQQ Na 2 + коэнзим Q10, чем в группе плацебо. Для анализа непосредственной памяти испытуемые были разделены на две подгруппы в соответствии с исходными общими баллами. Хотя не было значительных различий между группами в подгруппе с высокими показателями, группа PQQ Na 2 + коэнзим Q10 в подгруппе с низким показателем показала значительно лучший результат на 8-й и 16-й неделе, чем группа плацебо.Это открытие показывает, что люди с более низкими показателями RBANS могут достичь большей степени улучшения в ответ на добавку PQQ Na 2 , чем люди с более высокими показателями.
Совсем недавно был опубликован результат другого клинического исследования на людях. 89 , ) Рандомизированное плацебо-контролируемое двойное слепое исследование для изучения влияния PQQ Na 2 на когнитивные функции было проведено с участием 41 пожилого здорового субъекта. Субъектам вводили перорально 20 мг PQQ Na 2 / день или плацебо в течение 12 недель.Для когнитивных функций оценивались избирательное внимание с помощью теста Струпа и обратного Струпа 90 , ) и зрительно-пространственная когнитивная функция с помощью портативного планшета Touch M 91 ) . В тесте Струпа изменение коэффициентов помех Струпа для группы PQQ Na 2 было значительно меньше, чем для группы плацебо. В тесте Touch M анализ стратификации, разделяющий каждую группу на две группы, показал, что оценка значительно увеличилась только в нижней группе группы PQQ Na 2 (начальная оценка <70).
Что касается когнитивных функций, PQQ Na 2 показывает влияние на стресс, утомляемость и сон. Семнадцать взрослых и женщин участвовали в клинических испытаниях с использованием открытого исследования для оценки эффективности PQQ Na 2 в отношении стресса, утомляемости, качества жизни и сна. 92 ) Участники принимали 20 мг PQQ Na 2 ежедневно в течение восьми недель. Результаты краткой формы профиля состояний настроения показали, что все шесть показателей энергии, утомляемости, напряженности-тревожности, депрессии, гнева-враждебности и замешательства значительно улучшились после приема добавки PQQ Na 2 по сравнению с оценками для этих показателей до приема добавок. из PQQ Na 2 .Результаты инвентаризации сна Огури-Сиракава-Азуми (версия для среднего и пожилого возраста) показали значительное улучшение сонливости при пробуждении, в начале и поддержании сна, а также в продолжительности сна. Для проверки японская версия индекса качества сна Питтсбурга также показала значительное улучшение поведения, связанного со сном. Кроме того, изменения этих общих показателей коррелировали с изменениями реакции пробуждения кортизола, то есть влияние PQQ Na 2 на улучшение качества сна подтверждается биомаркером.
Недавно были опубликованы две статьи о влиянии PQQ Na 2 на пользу для здоровья человека. 93,94 ) PQQ Na 2 полезен для улучшения состояния кожи и липидного обмена. PQQ Na 2 может быть полезен не только для улучшения функций мозга, но и для различных преимуществ для здоровья. Механизмы, лежащие в основе эффектов PQQ Na 2 , должны быть выяснены дополнительно.
VII.Безопасность
С 2009 года пищевые добавки, содержащие PQQ Na 2 , были введены в продажу в Соединенных Штатах после официального принятия уведомления Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, и никаких побочных эффектов зарегистрировано не было. Что касается исследований пероральной токсичности, то на крысах были проведены 14-дневное предварительное исследование и 28-дневное исследование с повторной дозой, как острые исследования, так и 13-недельное субхроническое исследование. 95 , ) Средняя летальная доза составила 1000–2000 мг PQQ Na 2 / кг массы тела у самцов и 500–1000 мг PQQ Na 2 / кг массы тела у самок крыс.В 14-дневном исследовании высокие дозы PQQ Na 2 приводили к увеличению относительной массы почек с соответствующей гистопатологией только у самок крыс, тогда как последующее 28-дневное исследование на самках животных привело к увеличению количества белка и кристаллов в моче. . Эти результаты были обратимы и разрешились в период выздоровления. В 13-недельном исследовании был отмечен ряд результатов клинической химии и гистопатологических изменений, которые были сочтены не имеющими токсикологического значения, поскольку уровни находились в пределах исторического контрольного диапазона, не были дозозависимыми, происходили с аналогичной частотой. в контрольных группах или встречались только в контрольной группе.На основании этих результатов у крыс был определен уровень отсутствия наблюдаемых побочных эффектов (УННВ) 100 мг PQQ Na 2 / кг массы тела, самая высокая доза, испытанная в 13-недельном исследовании. Недавнее исследование показало, что УННВ PQQ Na 2 у крыс составляет 400 мг PQQ Na 2 / кг массы тела для обоих полов, это самая высокая испытанная доза. 96 )
Кроме того, генотоксический потенциал PQQ Na 2 был оценен в основной группе тестов на генотоксичность. 97 ) Результаты анализа бактериальных мутаций (тест Эймса) были отрицательными. Слабые положительные результаты были получены в двух отдельных тестах in vitro на хромосомную аберрацию при максимальной дозировке на фибробластах легких китайского хомячка. При тестировании в тесте in vitro на хромосомную аберрацию на лимфоцитах периферической крови человека генотоксической активности не было отмечено. В микроядерном анализе in vivo на мышах PQQ Na 2 в дозах до 2000 мг / кг массы тела продемонстрировал отсутствие генотоксических эффектов in vivo в эритроцитах костного мозга.На основании этих результатов был сделан вывод, что PQQ не обладает генотоксической активностью in vivo .
Сообщалось о плацебо-контролируемых двойных слепых исследованиях безопасности на людях. 98 ) PQQ Na 2 в дозе 20 или 60 мг / день или плацебо вводили в течение четырех недель здоровым добровольцам. В стандартных клинических анализах крови при обеих дозировках PQQ Na 2 побочных эффектов не наблюдалось. В тесте на дозировку 60 мг PQQ Na 2 / день концентрация в моче N -ацетил-β-d-глюкозаминидазы (NAG), который является чувствительным биомаркером повреждения почечных канальцев, не изменилась после введения PQQ Na 2 .
[ 14 C] PQQ вводили мышам перорально для оценки абсорбции. PQQ легко абсорбировался (62%) в нижнем отделе кишечника и выводился почками (81%) в течение 24 часов. 99 , ) После однократной дозы PQQ (0,2 мг PQQ Na 2 / кг массы тела) уровни PQQ достигли пика в сыворотке крови через 3 часа приема при концентрации около 10 нМ. Повышение и клиренс PQQ Na 2 в сыворотке соответствовали изменению в моче. 28 , ) На основании этих исследований фармакокинетическое поведение PQQ Na 2 похоже на другие водорастворимые соединения группы витамина B. Это говорит о том, что PQQ не накапливается в организме в значительной степени, чтобы вызвать серьезные повреждения. У крыс при введении PQQ Na 2 внутрибрюшинно ежедневно в течение 4 дней в дозе 11,5 мг / кг массы тела наблюдались функциональные и морфологические изменения почек. 100 ) Пероральное введение не дает такой высокой концентрации PQQ в крови, как внутрибрюшинная инъекция, но необходимо контролировать превышение дозировки.
VIII. Выводы
Было показано, что PQQ является повсеместной молекулой, влияющей на множество физиологических и биохимических процессов. В этом обзоре мы представили недавние исследования, подтверждающие роль PQQ в поддержании и улучшении здоровья человека. Есть потенциальные преимущества от добавок PQQ, связанные с контролем липидемии и гликемии, профилактикой сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний и улучшением функций мозга. Недавние данные свидетельствуют о том, что PQQ может быть полезен для различных преимуществ для здоровья с помощью различных механизмов, включая окислительно-восстановительную активность, активность по улавливанию радикалов и модуляцию клеточных сигнальных путей.Согласно недавним наблюдениям, PQQ не проявляет токсичности и генотоксичности при пероральном приеме, и, таким образом, пероральный прием PQQ был бы многообещающим подходом к улучшению состояния здоровья. С другой стороны, точный молекулярный механизм, лежащий в основе действия PQQ, полностью не изучен. Механистические исследования, помогающие определить функцию PQQ, могут принести дополнительную пользу для здоровья человека.
Заявление о раскрытии информации
Авторы не сообщали о потенциальном конфликте интересов.
Список литературы
Гудвин
PM
, Энтони
C
. Биохимия, физиология и генетика ферментов, содержащих PQQ и PQQ
. Adv. Microb. Physiol
. 1998
; 40
: 1
— 80
. Энтони
С
. Пирролохинолинхинон (PQQ) и хинопротеиновые ферменты
. Антиоксид. Редокс-сигнал
. 2001
; 3
: 757
— 774
. Мацумура
H
, Умедзава
K
, Takeda
K
и др. . Открытие эукариотической пирролохинолинхинон-зависимой оксидоредуктазы, принадлежащей к новому семейству вспомогательной активности, в базе данных углеводно-активных ферментов
. PLoS One
. 2014
; 9
: e104851
. Kumazawa
T
, Seno
H
, Urakami
T
, Matsumoto
T
, Suzuki
O
. Следовые уровни пирролохинолинхинона в образцах человека и крысы, обнаруженные с помощью газовой хроматографии / масс-спектрометрии
. Биохим. Биофиз. Acta
. 1992
; 1156
: 62
— 66
. Mitchell
AE
, Jones
AD
, Mercer
RS
, Rucker
RB
. Характеристика аминокислотных производных пирролохинолинхинона с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением и обнаружения в грудном молоке
. Анал. Биохим
. 1999
; 269
: 317
— 325
. Kumazawa
T
, Sato
K
, Seno
H
, Ishii
A
, Suzuki
O
. Уровни пирролохинолинхинона в различных пищевых продуктах
. Biochem. J
. 1995
; 307
: 331
— 333
. Kumazawa
T
, Seno
H
, Suzuki
O
. Отсутствие подтверждения высоких уровней пирролохинолинхинона в яйцах и обезжиренном молоке
. Biochem. Биофиз. Res. Коммуна
. 1993
; 193
: 1
— 5
. Noji
N
, Nakamura
T
, Kitahata
N
и др. . Простой и чувствительный метод анализа пирролохинолинхинона (PQQ) в различных пищевых продуктах с использованием тандемной масс-спектрометрии жидкостной хроматографии / электрораспылительной ионизации
. J. Agric. Продовольственная химия
. 2007
; 55
: 7258
— 7263
. Ghosh
S
, Chakraborty
R
, Raychaudhuri
U
. Пирролохинолинхинон — редокс-кофактор и его участие в биологической системе
. Внутр. J. Sci. Nat
. 2013
; 4
: 371
— 380
. Choi
O
, Kim
J
, Kim
JG
, et al.. Пирролохинолинхинон является фактором стимулирования роста растений, продуцируемым Pseudomonas fluorescens B16
. Физиология растений
. 2008
; 146
: 657
— 668
. Killgore
J
, Smidt
C
, Duich
L
и др. . Пищевая ценность пирролохинолинхинона
. Наука
. 1989
; 245
: 850
— 852
. Steinberg
FM
, Gershwin
ME
, Rucker
RB
. Диетический пирролохинолинхинон: рост и иммунный ответ у мышей BALB / c
. Дж. Нутр
. 1994
; 124
: 744
— 753
. Steinberg
F
, Stites
T
, Anderson
P
и др. . Пирролохинолинхинон улучшает рост и репродуктивную способность мышей, получавших рационы определенного химического состава
. Exp. Биол. Мед
. 2003
; 228
: 160
— 166
. Касахара
Т
, Като
Т
. Биохимия питания: новый витамин с редокс-кофактором для млекопитающих
. Природа
. 2003
; 422
: 832
. Фелтон
LM
, Энтони
C
. Биохимия: роль PQQ как кофактора фермента млекопитающих?
Природа
. 2005
; 433
: E10
. Rucker
R
, Storms
D
, Листы
A
, Tchaparian
E
, Fascetti
A
. Биохимия: является ли пирролохинолинхинон витамином?
Природа
. 2005
; 433
: E10
— E11
. Paz
MA
, Martin
P
, Flückiger
R
, Mah
J
, Gallop
PM
. Катализ окислительно-восстановительного цикла пирролохинолинхиноном (PQQ), производными PQQ и изомерами и специфичность ингибиторов
. Анал. Биохим
. 1996
; 238
: 145
— 149
. Itoh
S
, Kato
N
, Ohshiro
Y
, Agawa
T
. Каталитическое окисление тиолов коферментом PQQ
. Chem. Lett
. 1985
; 14
: 135
— 136
. Itoh
S
, Kato
N
, Mure
M
, Ohshiro
Y
. Кинетические исследования окисления тиолов коферментом PQQ
. Бык. Chem. Soc. Jpn
. 1987
; 60
: 420
— 422
. Ито
S
, Кинугава
M
, Mita
N
, Ohshiro
YJ
. Эффективная система регенерации NAD + с гетероароматическими o -хинонами и молекулярным кислородом
. Chem. Soc. Chem. Коммуна
. 1989
; 1989
: 694
— 695
. Itoh
S
, Ohshiro
Y
, Agawa
T
. Реакция восстановленного PQQ (PQQH 2 ) и молекулярного кислорода
. Бык. Chem. Soc. Jpn
. 1986
; 59
: 1911
— 1914
. Stites
TE
, Mitchell
AE
, Rucker
RB
. Физиологическое значение хиноферментов и кофакторов семейства O-хинонов
. J Nutr
. 2000
; 130
: 719
— 727
. Ishii
T
, Akagawa
M
, Naito
Y
и др. . Прооксидантное действие пирролохинолинхинона: характеристика окислительных модификаций белков
. Biosci. Biotechnol. Биохим
. 2010
; 74
: 663
— 666
. Шах
MA
, Bergethon
PR
, Boak
AM
, Gallop
PM
, Kagan
HM
. Окисление пептидиллизина комплексами меди с пирролохинолинхиноном и другими хинонами. Модель для окислительной патохимии
. Биохим. Биофиз.Acta
. 1992
; 1159
: 311
— 318
. Ishida
T
, Doi
M
, Tomita
K
, Hayashi
H
, Inoue
M
, Urakami
Молекулярная и кристаллическая структура PQQ (метоксатина), нового кофермента хинопротеинов: характер обширной укладки и взаимодействие ионов металлов
. Дж.Являюсь. Chem. Soc
. 1989
; 111
: 6822
— 6828
. Ameyama
M
, Nonobe
M
, Shinagawa
E
, Matsushita
K
, Adachi
O
. Метод ферментативного определения пирролохинолинхинона
. Анал. Биохим
. 1985
; 151
: 263
— 267
. Bergethon
PR
. Амперометрическое электрохимическое определение пирролохинолинхинона в высокоэффективной жидкостной хроматографии
. Анал. Биохим
. 1990
; 186
: 324
— 327
. Харрис
CB
, Chowanadisai
W
, Mishchuk
DO
, Satre
MA
, Slupsky
CM
, RB Rucker
Диетический пирролохинолинхинон (PQQ) изменяет показатели воспаления и митохондриальный метаболизм у людей
. J. Nutr. Биохим
. 2013
; 24
: 2076
— 2084
. Puehringer
S
, Metlitzky
M
, Schwarzenbacher
R
. Пересмотр пути биосинтеза пирролохинолинхинона: структурный подход
. БМС Биохим
. 2008
; 9
: 8
. Shen
YQ
, Bonnot
F
, Imsand
EM
, RoseFigura
JM
, Sjölander
K
, Klinman
Распространение и свойства генов, кодирующих биосинтез бактериального кофактора пирролохинолинхинона
. Биохимия
. 2012
; 51
: 2265
— 2275
. Meulenberg
JJ
, Sellink
E
, Loenen
WA
, Riegman
NH
, Kleef
M
000 Post
Клонирование Klebsiella pneumoniae pqq генов и биосинтез PQQ в Escherichia coli
. FEMS Microbiol. Lett
. 1990
; 71
: 337
— 343
. Клинман
JP
, Боннот
F
. Интриги и хитросплетения путей биосинтеза ферментных хинокофакторов: PQQ, TTQ, CTQ, TPQ и LTQ
. Chem. Ред.
. 2014
; 114
: 4343
— 4365
. Velterop
JS
, Sellink
E
, Meulenberg
JJ
, David
S
, Bulder
I
,0002 Postma Синтез пирролохинолинхинона in vivo и in vitro и обнаружение промежуточного соединения в пути биосинтеза
. Дж. Бактериол
. 1995
; 177
: 5088
— 5098
. Bonnot
F
, Iavarone
AT
, Klinman
JP
. Многоступенчатое восьмиэлектронное окисление, катализируемое бескофакторной оксидазой, pqqc: идентификация химических промежуточных продуктов и их зависимость от молекулярного кислорода
. Биохимия
. 2013
; 52
: 4667
— 4675
. Magnusson
OT
, Toyama
H
, Saeki
M
и др. . Биогенез хинона: структура и механизм PqqC, конечного катализатора производства пирролохинолинхинона
. Proc. Natl. Акад. Sci. США
. 2004
; 101
: 7913
— 7918
. van Kleef
MA
, Duine
JA
. Факторы, влияющие на бактериальное производство пирролохинолинхинона
. заявл. Environ. Микробиол
. 1989
; 55
: 1209
— 1213
. Smidt
CR
, Bean-Knudsen
D
, Kirsch
DG
, Rucker
RB
. Синтезирует ли микрофлора кишечника пирролохинолинхинон?
Биофакторы
. 1991
; 3
: 53
— 59
. Matsushita
K
, Arents
JC
, Bader
R
, Yamada
M
, Adachi
O
,000 POSTMA Escherichia coli не может продуцировать пирролохинолинхинон (PQQ)
. Микробиология
. 1997
; 143
: 3149
— 3156
. Samuel
KG
, Zhang
HJ
, Wang
J
и др. . Влияние динатрия пирролохинолинхинона с пищей на показатели роста, выход туши и антиоксидантный статус цыплят-бройлеров
. Животное
. 2015
; 9
: 409
— 416
. Naito
Y
, Kumazawa
T
, Kino
I
, Suzuki
O
. Влияние пирролохинолинхинона (PQQ) и PQQ-оксазола на синтез ДНК культивируемых фибробластов человека
. Life Sci
. 1993
; 52
: 1909
— 1915
. Kumazawa
T
, Hiwasa
T
, Takiguchi
M
, Suzuki
O
, Sato
K
. Активация сигнальных путей Ras пирролохинолинхиноном в фибробластах мыши NIh4T3
. Внутр. J. Mol. Мед
. 2007
; 19
: 765
— 770
. Kimura
K
, Takada
M
, Ishii
T
, Tsuji-Naito
K
, Akagawa
M
. Пирролохинолинхинон стимулирует пролиферацию эпителиальных клеток, активируя рецептор эпидермального фактора роста посредством окислительно-восстановительного цикла
. Свободный Радич. Биол. Мед
. 2012
; 53
: 1239
— 1251
. McKay
MM
, Morrison
DK
. Интеграция сигналов от RTK в ERK / MAPK
. Онкоген
. 2007
; 26
: 3113
— 3121
. Ли
SR
, Kwon
KS
, Kim
SR
, Rhee
SG
. Обратимая инактивация протеин-тирозинфосфатазы 1B в клетках A431, стимулированных эпидермальным фактором роста
. J. Biol. Chem
. 1998
; 273
: 15366
— 15372
. Ивамото
N
, Sumi
D
, Ishii
T
и др. . Химический нокдаун протеин-тирозинфосфатазы 1B 1,2-нафтохиноном посредством ковалентной модификации вызывает стойкую трансактивацию рецептора эпидермального фактора роста
. J. Biol. Chem
. 2007
; 282
: 33396
— 33404
. Chiarugi
P
, Cirri
P
. Редокс-регуляция протеинтирозинфосфатаз во время передачи сигнала рецепторной тирозинкиназы
. Trends Biochem. Sci
. 2003
; 28
: 509
— 514
. Kenner
KA
, Anyanwu
E
, Olefsky
JM
, Kusari
J
. Протеин-тирозинфосфатаза 1B является негативным регулятором передачи сигналов, стимулированной инсулином и инсулиноподобным фактором роста i
. J. Biol. Chem
. 1996
; 271
: 19810
— 19816
. Чанг
Y
, Ceacareanu
B
, Zhuang
D
и др. . Артериосклер. Противорегулирующая функция протеинтирозинфосфатазы 1B в подвижности и пролиферации культивируемых гладкомышечных клеток, а также в формировании неоинтимы, вызванной фактором роста тромбоцитов или фактором роста фибробластов
. Тромб. Васк. Биол
. 2006
; 26
: 501
— 507
. Накамура
Y
, Патрушев
N
, Inomata
H
и др. . Роль протеинтирозинфосфатазы 1B в передаче сигналов фактора роста эндотелия сосудов и межклеточных адгезиях в эндотелиальных клетках
. Circ. Res
. 2008
; 102
: 1182
— 1191
. Shibata
T
, Nakahara
H
, Kita
N
и др. . Пищевой синергист передачи сигналов NGF: идентификация протеинтирозинфосфатазы 1B в качестве ключевого регулятора передачи сигнала, инициируемого рецептором NGF
. Дж. Нейрохим
. 2008
; 107
: 1248
— 1260
. Гарбер
AJ
. Ожирение и диабет 2 типа: какие пациенты подвержены риску?
Диабет Ожирение.Метаб
. 2012
; 14
: 399
— 408
. Saltiel
AR
. Новые перспективы молекулярного патогенеза и лечения диабета 2 типа
. Ячейка
. 2001
; 104
: 517
— 529
. van Tienen
FH
, Praet
SF
, de Feyter
HM
и др. . Физическая активность является ключевым фактором, определяющим функцию митохондрий скелетных мышц при диабете 2 типа
. J. Clin. Эндокринол. Метаб
. 2012
; 97
: 3261
— 3269
. Rabøl
R
, Boushel
R
, Dela
F
. Окислительная функция митохондрий и диабет 2 типа
. заявл. Physiol. Nutr. Метаб
. 2006
; 31
: 675
— 683
. Meex
RC
, Schrauwen-Hinderling
VB
, Moonen-Kornips
E
и др.. Восстановление митохондриальной функции мышц и метаболической гибкости при диабете 2 типа с помощью физических упражнений сопровождается увеличением накопления миоклеточного жира и повышенной чувствительностью к инсулину
. Диабет
. 2010
; 59
:572
—579
. Stites
T
, Storms
D
, Bauerly
K
и др. . Пирролохинолинхинон регулирует количество и функцию митохондрий у мышей
. Дж. Нутр
. 2006
; 136
: 390
— 396
. Bauerly
K
, Harris
C
, Chowanadisai
W
и др. . Изменение нутритивного статуса пирролохинолинхинона модулирует митохондриальный, липидный и энергетический метаболизм у крыс
. PLoS One
. 2011
; 6
: e21779
. Tao
R
, Karliner
JS
, Simonis
U
и др.. Пирролохинолинхинон сохраняет функцию митохондрий и предотвращает окислительное повреждение сердечных миоцитов взрослых крыс
. Biochem. Биофиз. Res. Коммуна
. 2007
; 363
: 257
— 262
. Handschin
C
, Spiegelman
BM
. Коактиваторы рецептора γ, активируемого пролифератором пероксисом, коактиваторы 1, энергетический гомеостаз и метаболизм
. Endocr.Ред.
. 2006
; 27
: 728
— 735
. Feige
JN
, Auwerx
J
. Транскрипционные корегуляторы в контроле энергетического гомеостаза
. Trends Cell Biol
. 2007
; 17
: 292
— 301
. Chowanadisai
W
, Bauerly
KA
, Tchaparian
E
, Wong
A
, Cortopassi
GA
RB
, Пирролохинолинхинон стимулирует митохондриальный биогенез за счет фосфорилирования белка, связывающего элемент ответа цАМФ, и увеличения экспрессии PGC-1α
. Дж. Биол. Хим.
. 2010
; 285
: 142
— 152
. Байон
JC
, Кусари
AB
, Кусари
Дж
. Протеин-тирозинфосфатаза-1B действует как негативный регулятор передачи инсулинового сигнала
. Мол. Клетка. Биохим
. 1998
; 182
: 101
— 108
. 10.1023 / A: 1006868409841 Ахмад
F
, Азеведо
JL
, Cortright
R
, Dohm
GL
, Goldstein
.
Изменения активности и экспрессии протеин-тирозинфосфатазы в скелетных мышцах при инсулинорезистентном ожирении и диабете у людей
. Дж.Clin. Инвестируйте
. 1997
; 100
: 449
— 458
. Cheung
A1
, Kusari
J
, Jansen
D
, Bandyopadhyay
D
, Kusari
A
, Bryer-Ash Заметное нарушение активности протеинтирозинфосфатазы 1B в жировой ткани субъектов с ожирением с сахарным диабетом 2 типа и без него
. J. Lab. Clin. Med.
1999
; 134
: 115
— 123
. Cheung
A1
, Kusari
J
, Jansen
D
, Bandyopadhyay
D
, Kusari
A
, Bryer-Ash Заметное нарушение активности протеинтирозинфосфатазы 1B в жировой ткани субъектов с ожирением с сахарным диабетом 2 типа и без него
. Диабет
. 2012
; 61
: 1415
— 1422
. Заболотный
JM
, Haj
FG
, Kim
YB
и др. . Трансгенная сверхэкспрессия протеин-тирозинфосфатазы 1B в мышцах вызывает инсулинорезистентность, но избыточная экспрессия с лейкоцитарной антиген-связанной фосфатазой не снижает аддитивного действия инсулина
. J. Biol. Chem
. 2004
; 279
: 24844
— 24851
. Klaman
LD
, Boss
O
, Peroni
OD
и др. . Повышенный расход энергии, снижение ожирения и тканеспецифическая чувствительность к инсулину у мышей с дефицитом протеин-тирозинфосфатазы 1B
. Мол. Ячейка Биол
. 2000
; 20
: 5479
— 5489
. Zinker
BA
, Rondinone
CM
, Trevillyan
JM
и др.. Антисмысловой олигонуклеотид PTP1B снижает уровень белка PTP1B, нормализует уровень глюкозы в крови и улучшает чувствительность к инсулину у мышей с диабетом
. Proc. Natl. Акад. Sci. США
. 2002
; 99
: 11357
— 11362
. Попов
D
. Новые ингибиторы протеинтирозинфосфатазы 1B: требования к взаимодействию для повышения внутриклеточной эффективности при сахарном диабете 2 типа и борьбе с ожирением
. Biochem. Биофиз. Res. Коммуна
. 2011
; 410
: 377
— 381
. Takada
M
, Sumi
M
, Maeda
A
и др. . Пирролохинолинхинон, новый ингибитор протеинтирозинфосфатазы 1B, активирует передачу сигналов инсулина в мышечных трубках C2C12 и улучшает нарушенную толерантность к глюкозе у диабетических мышей KK- A y мышей
. Biochemn. Биофиз. Res. Коммуна
. 2012
; 428
:315
— 320
. Miyauchi
K
, Urakami
T
, Abeta
H
, Shi
H
, Noguchi
N
,000 Niki000.
Действие пирролохинолинхинола как антиоксиданта против перекисного окисления липидов в растворе
. Антиокс. Редокс. Сигнал
. 1994
; 1
: 547
— 554
. He
K
, Nukada
H
, Urakami
T
, Murphy
MP
. Антиоксидантные и прооксидантные свойства пирролохинолинхинона (PQQ): влияние на его функцию в биологических системах
. Biochem. Pharmacol
. 2003
; 65
: 67
— 74
. Ouchi
A
, Nakano
M
, Nagaoka
S
, Mukai
K
. Кинетическое исследование антиоксидантной активности пирролохинолинехинола (PQQH 2 , восстановленная форма пирролохинолинехинона) в мицеллярном растворе
. J. Agric. Продовольственная химия
. 2009
; 57
: 450
— 456
. Mukai
K
, Ouchi
A
, Nakano
M
. Кинетическое исследование реакции тушения синглетного кислорода пирролохинолехинолом (PQQH 2 , восстановленная форма пирролохинолинехинона) в мицеллярном растворе
. J. Agri. Продовольственная химия
. 2011
; 59
: 1705
— 1712
. Ouchi
A
, Ikemoto
K
, Nakano
M
, Nagaoka
S
, Mukai
K
. Кинетическое исследование скорости улавливания ароксильных радикалов и регенерации α-токофероксила пирролохинолехинола (PQQH 2 , восстановленная форма пирролохинолехинона) в растворе диметилсульфоксида: обнаружение синергетического эффекта на скорость реакции и сосуществование α-токосодержания PQQH 2
. J. Agric. Продовольственная химия
. 2013
; 61
: 11048
— 11060
. Hara
H
, Hiramatsu
H
, Adachi
T
. Пирролохинолинхинон является мощным нейропротекторным питательным веществом против нейротоксичности, вызванной 6-гидроксидофамином
. Neurochem. Res
. 2007
; 32
: 489
— 495
. Nunome
K
, Miyazaki
S
, Nakano
M
, Iguchi-Ariga
S
, Ariga
H
. Пирролохинолинхинон предотвращает вызванную окислительным стрессом гибель нейронов, вероятно, за счет изменений в окислительном статусе DJ-1
. Biol. Pharm. Бык
. 2008
; 31
: 1321
— 1326
. Zhu
B
, Zhou
H
, Teerlink
JR
, Karliner
JS
. Пирролохинолинхинон (PQQ) уменьшает размер инфаркта миокарда и улучшает сердечную функцию в моделях ишемии и ишемии / реперфузии на крысах
. Кардиоваск. Наркотики. Ther
. 2004
; 18
: 421
— 431
. Zhu
B
, Simonis
U
, Cecchini
G
и др. . Сравнение пирролохинолинхинона и / или метопролола в отношении размера инфаркта миокарда и митохондриального повреждения в модели ишемии / реперфузии на крысах
. J. Cardiovasc. Pharm. Ther
. 2006
; 11
: 119
— 128
. Jensen
FE
, Gardner
GJ
, Williams
AP
, Gallop
PM
, Aizenman
E
, Rosenberg PA
,.
Предполагаемый незаменимый питательный элемент пирролохинолинхинон является нейропротекторным в модели гипоксического / ишемического повреждения головного мозга на грызунах
. Неврология
. 1994
; 62
: 399
— 406
. Zhang
Y
, Feustel
P
, Kimelberg
HK
. Нейропротекция пирролохинолинхиноном (PQQ) при обратимой окклюзии средней мозговой артерии у взрослых крыс
. Мозг Res
. 2006
; 1094
: 200
— 206
. Yamaguchi
K
, Sasano
A
, Urakami
T
, Tsuji
T
, Kondo
K
. Стимуляция выработки фактора роста нервов пирролохинолинхиноном и его производными in vitro и in vivo
. Biosci. Биотех. Биохим
. 1993
; 57
: 1231
— 1233
. Murase
K
, Hattori
A
, Kohno
M
, Hayashi
K
. Стимуляция синтеза / секреции фактора роста нервов в астроглиальных клетках мышей коферментами
. Biochem. Мол. Биол. Интернат
. 1993
; 30
: 615
— 621
. Yamaguchi
K
, Tsuji
T
, Uemura
D
, Kondo
K
. Индукция циклооксигеназы необходима для усиления синтеза NGF индукторами NGF в L-M клетках
. Biosci. Биотех. Биохим
. 1996
; 60
: 92
— 94
. Ohwada
K
, Takeda
H
, Yamazaki
M
и др. . Пирролохинолинхинон (PQQ) предотвращает когнитивный дефицит, вызванный окислительным стрессом у крыс
. J. Clin. Biochem. Нутр
. 2008
; 42
: 29
— 34
. Takatsu
H
, Owada
K
, Abe
K
, Nakano
M
, Urano
S
. Влияние витамина Е на обучаемость и дефицит памяти у старых крыс
. J. Nutr. Sci. Витаминол
. 2009
; 55
: 389
— 393
. Коикеда
Т
, Накано
М
, Масуда
К
. Динатриевая соль пирролохинолинхинона улучшает высшие функции мозга
. Med. Проконсультируйтесь. Новые средства защиты
. 2011
; 48
: 519
— 527
. Randolph
C
, Tierney
MC
, Mohr
E
, Chase
TN
. Повторяемая батарея для оценки нейропсихологического статуса (RBANS): предварительная клиническая валидность
. J. Clin. Exp. Neuropsychol
. 1989
; 20
: 310
— 319
. Itoh
Y
, Hine
K
, Miura
H
и др.. Влияние антиоксидантной добавки динатриевой соли пирролохинолинхинона (BioPQQ ™ ) на когнитивные функции
. Adv. Exp. Med. Биол.
в прессе
Hakoda
Y
, Sasaki
M
. Групповая версия теста с ударом и обратным ударом — эффекты режима реакции, порядка и практики — jap
. J. Педагогическая психология
. 1990
; 38
: 389
— 394
. Hayashi
Y
, Kijima
T
, Satou
K
, Murakami
S
. Исследование метода оценки зрительно-пространственной когнитивной функции с помощью устройства с сенсорным экраном
. Яп. J. Geria. Психиатрия
. 2011
; 22
:439
— 447
. Накано
M
, Ямамото
T
, Okumura
H
, Tsuda
A
, Kowatari
Y
. Влияние перорального приема пирролохинолинхинона на стресс, утомляемость и сон
. Функц. Foods Health Dis
. 2012
; 2
: 307
— 324
. Накано
M
, Kamimura
A
, Watanabe
F
и др. . Влияние перорально вводимой динатриевой соли пирролохинолинхинона на состояние сухой кожи мышей и здоровых самок
. J. Nutr. Sci. Витаминол
. 2015
; 61
: 242
— 247
. Nakano
M
, Kawasaki
Y
, Suzuki
N
, Takara
T
. Влияние потребления динатриевой соли пирролохинолинхинона на уровень холестерина в сыворотке здоровых взрослых японцев
. J. Nutr. Sci. Витаминол
. 2015
; 61
: 234
— 241
. Nakano
M
, Takahashi
H
, Koura
S
, Chung
C
, Tafazoli
S
, Roberts
Исследования острой и субхронической токсичности динатриевой соли пирролохинолинхинона (PQQ) (BioPQQ ™) на крысах
. Рег. Toxicol. Pharmacol
. 2014
; 70
: 107
— 121
. Liang
C
, Zhang
X
, Wang
W
, Song
Y
, Jia
X
. Исследование субхронической пероральной токсичности динатриевой соли пирролохинолинхинона (PQQ) на крысах
. Food Chem. Токсикол
. 2015
; 75
: 146
— 150
. Nakano
M
, Suzuki
H
, Imamura
T
, Lau
A
, Lynch
B
. Генотоксичность динатриевой соли пирролохинолинхинона (PQQ) (BioPQQ ™)
. Рег. Toxicol. Pharmacol
. 2013
; 67
: 189
— 197
. Rucker
R
, Chowanadisai
E
, Накано
M
. Потенциальное физиологическое значение пирролохинолинхинона
. Альтерн. Med. Res
. 2009
; 14
: 268
— 277
. Smidt
CR
, Unkefer
CJ
, Houck
DR
, Rucker
RB
. Абсорбция в кишечнике и распределение [ 14 C] пирролохинолинхинона в тканях у мышей
. Proc. Soc. Exp. Биол. Мед
. 1991
; 197
: 27
— 31
. Watanabe
A
, Hobara
N
, Ohsawa
T
, Higashi
T
, Tsuji
T
. Нефротоксичность пирролохинолинхинона у крыс
. Hiroshima J. Med. Sci
. 1989
; 38
: 49
— 51
. © 2016 Японское общество биологии, биотехнологии и агрохимии
Пирролохинолинхинон противостоит вызванной денервацией атрофии скелетных мышц за счет активации PGC-1α и интеграции комплексов митохондриальной цепи переноса электронов
Abstract
Атрофия скелетных мышц, опосредованная денервацией, возникает в результате потери электрической стимуляции и приводит к деградации белка, которая критически регулируется хорошо подтвержденным коактиватором транскрипции, коактиватором пролифератора пероксисомы 1 альфа (PGC-1α).Адекватных методов лечения мышечной атрофии не существует. Пирролохинолинхинон (PQQ), природный антиоксидантный компонент с множеством функций, включая модуляцию митохондрий, демонстрирует способность защищать от мышечной дисфункции. Однако остается неясным, усиливает ли PQQ активацию PGC-1α и сопротивляется ли атрофии скелетных мышц у мышей, подвергшихся операции денервации. Эта работа исследует экспрессию PGC-1α и функцию митохондрий в скелетных мышцах денервированных мышей, которым вводили PQQ.Мыши C57BL6 / J подвергали аксотомии задней конечности седалищного нерва. Осмотический насос ALZET®, содержащий PQQ (эквивалент 4,5 мг / день / кг массы тела), имплантировали подкожно в правую нижнюю часть живота мыши. Во время исследования с течением времени мышь умерщвляли и икроножную мышцу готовили для дальнейшего миопатологического окрашивания, анализа энергетического метаболизма, вестерн-блоттинга и количественных ПЦР-исследований в реальном времени. Мы наблюдали, что введение PQQ отменяет вызванное денервацией снижение мышечной массы и снижает активность митохондрий, о чем свидетельствует уменьшение размера волокон и снижение экспрессии оксидазы цитохрома c и НАДН-тетразолийредуктазы.Биоэнергетический анализ показал, что PQQ перепрограммировал вызванное денервацией увеличение скорости потребления кислорода митохондриями (OCR) и привело к увеличению скорости внеклеточного закисления (ECAR), измерения метаболизма гликолита. Уровни белка PGC-1α и комплексов электронно-транспортной цепи (ETC) также повышались при обработке PQQ. Кроме того, введение PQQ сильно увеличивало экспрессию окислительных волокон и поддерживало гликолитические волокна типа II.Это доклиническое исследование in vivo предполагает, что PQQ может обеспечить мощный терапевтический эффект для лечения атрофии, вызванной денервацией, путем активации PGC-1α и поддержания митохондриального комплекса ETC в скелетных мышцах.
Образец цитирования: Kuo Y-T, Shih P-H, Kao S-H, Yeh G-C, Lee H-M (2015) Пирролохинолинхинон сопротивляется индуцированной денервацией атрофии скелетных мышц, активируя PGC-1α и интегрируя комплексы митохондриальной цепи транспорта электронов. PLoS ONE 10 (12):
e0143600.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600
Редактор: Идонг Бай, Научный центр здоровья Техасского университета в Сан-Антонио, США
Поступила: 3 августа 2015 г .; Одобрена: 6 ноября 2015 г .; Опубликовано: 8 декабря 2015 г.
Авторские права: © 2015 Kuo et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника
Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в пределах документ и вспомогательные информационные файлы к нему.
Финансирование: Авторы получили финансирование от Тайбэйского медицинского университета (TMU101-AE3-Y08).
Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.
Сокращения: CPL,
Катепсин L; СОХ,
цитохром c оксидаза; CREB,
белок, связывающий элемент ответа цАМФ; ТАК ДАЛЕЕ,
электронная транспортная цепь; MyHC,
тяжелая цепь миозина; НАДН-ТР,
НАДН-тетразолийредуктаза; PQQ,
Пирролохинолинхинон; PGC-1α,
соактиватор пролифератора пероксисом 1 альфа; TFAM,
фактор митохондриальной транскрипции А; УЦП-2,
разобщающий белок-2
Введение
Скелетные мышцы выполняют важные физиологические функции, включая расход энергии, обмен веществ и физическую силу.Скелетные мышцы делятся на две изоформы в зависимости от их метаболизма: волокна типа I более красноватые, с меньшей скоростью сокращения и большей сопротивляемостью утомляемости, а также с большим содержанием митохондрий, что способствует окислительному дыханию. С другой стороны, волокна типа II беловатые, с более высокой скоростью сокращения и меньшим содержанием митохондрий, и легче утомляются [1, 2]. В здоровых мышцах сохраняется баланс между биосинтезом и распадом белка. Снижение мышечной массы или атрофия представляет собой ускорение деградации белка, вызванное различными физиологическими проблемами, такими как хронические и острые заболевания (диабет и травма), состояния неиспользования (денервация и микрогравитация), а также прогрессирующее старение или саркопения [3].Денервация периферических двигательных нервов приводит к нарушению сократительной способности скелетных мышц [4]. Эти изменения включают быструю потерю мышечной массы и митохондриальной функции в течение первой недели после денервации [5]. Во время длительной денервации скелетные мышцы атрофируются из-за потери нервных импульсов. Атрофия скелетных мышц сопровождается увеличением фиброзной и жировой соединительной ткани и, как следствие, потерей мышечной функции [6].
Энергетический метаболизм клеток делится в основном на митохондриальное окислительное фосфорилирование (OXPHOS) и гликолиз.Митохондрии играют центральную роль в мышцах, модулируя баланс между биогенезом и деградацией, которые регулируются стимуляцией окружающей среды и, таким образом, транскрипционно контролируют последующую экспрессию ядерных и митохондриальных генов [7]. Более того, хотя сообщалось, что атрофия мышц, вызванная денервацией, участвует в выбросе митохондриальных активных форм кислорода (АФК) [8], влияние денервации на метаболизм мышечной энергии получило меньше дискуссий. Коактиватор транскрипции, рецептор, активируемый пролифератором пероксисом, γ, coactivator-1α (PGC-1α), является одним из наиболее известных регуляторов митохондриального биогенеза [1, 9].Недавние исследования показали, что PGC-1α может играть критическую роль в преобразовании типов волокон скелетных мышц, способствуя переключению типов волокон с гликолитических на окислительные [10]. Сверхэкспрессия PGC-1α под контролем промотора мышечной креатинкиназы (MCK) индуцировала преобразование типа волокна, которое характерно для волокон типа I, и предотвращала истощение мышечной массы у трансгенных мышей, подвергшихся денервации или голоданию [11].
Терапевтическое лечение атрофии скелетных мышц с помощью соединений природного происхождения в последнее время привлекает все большее внимание [12].Пирролохинолинхинон (PQQ), хинин, синтезируемый бактериями, является сильным окислительно-восстановительным кофактором с множеством биологических преимуществ, включая антиоксидантное, противораковое, противовоспалительное, модуляцию митохондриального метаболизма и нейрозащиту [13–16]. Gong et al. предположили, что PQQ действует как антигипералгезический агент, подавляя действие фактора некроза опухоли альфа (TNF-α) и образование пероксида липидов малонового диальдегида у крыс с хроническими суженными повреждениями седалищного нерва [17].Chowanadisa et al. выяснили, что PQQ стимулирует фосфорилирование белка, связывающего элемент ответа цАМФ (CREB), и дополнительно увеличивает экспрессию мРНК PGC-1α и белка. Обработка миРНК PGC-1α ослабляла митохондриальный биогенез [18]. Введение PQQ также модулирует функцию митохондрий, повышая метаболизм липидов [19]. Однако влияние PQQ на экспрессию комплекса PGC-1α и митохондриальной электрон-транспортной цепи (ETC) в скелетных мышцах после денервации еще не изучено.Таким образом, целью настоящего исследования было изучить потенциал PQQ для защиты от атрофии скелетных мышц, вызванной денервацией.
В этой работе мы исследовали участие PGC-1α в истощении скелетных мышц, опосредованном аксотомией седалищного нерва. Кроме того, мы исследовали, предотвращает ли введение PQQ деградацию белка, вызванную денервацией. Экспрессия PGC-1α снижалась во время истощения мышц после денервации. Более того, PGC-1α и митохондриальные комплексы ETC были улучшены обработкой PQQ, что привело к сохранению мышечных волокон как I, так и II типа, что сопровождалось изменением биоэнергетики митохондрий OXPHOS.
Материалы и методы
Материалы
Осмотические насосы ALZET® (модель № 1004, длина 1,5 см, диаметр 0,6 см, вес 0,4 г, доставка через 28 дней при скорости откачки 0,11 мкл / ч) были получены от Durect Corporation (Купертино, Калифорния, США). PQQ (Кат. № 164–17083) был приобретен у Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Япония). Остальные высококачественные реагенты и химикаты были закуплены у местных коммерческих компаний.
Животные и лечебные средства
мышей C57BL6 / J в возрасте примерно 4–5 недель и весом примерно 22–24 грамма были приобретены в Национальном центре лабораторных животных (Синьчжу, Тайвань).Все экспериментальные процедуры были одобрены институциональным комитетом по уходу и использованию животных (Тайбэйский медицинский университет, разрешение IACUC № LAC-2014-0243). Животные были случайным образом разделены на 4 группы (n = 5–10 для каждой группы): контрольная группа (Con), группа фиктивных операций (Sham), группа денервации (Den) и группа денервации, обработанная PQQ (Dep ). Всех мышей содержали в условиях контролируемой температуры и влажности с циклом свет: темнота 12:12 ч и давали стандартную диету и воду ad libitum.Животных анестезировали внутрибрюшинно пентобарбиталом натрия (50 мг / кг массы тела (м.т.)), а правую заднюю конечность каждой мыши денервировали, удаляя примерно 1 см срез седалищного нерва. Имитационная группа подверглась той же операции без удаления седалищного нерва. Во время операции осмотический насос ALZET®, содержащий PQQ (эквивалент 4,5 мг / день / кг массы тела в течение 28 дней, разбавленный физиологическим раствором), был имплантирован подкожно в правую нижнюю часть живота мыши для группы PQQ.Затем кожную рану закрывали хирургическими зажимами, покрытыми дезинфицирующим средством (Premium Surgiclip TM , Covidien, Tyco Healthcare, Тайвань). Операция не повлияла на суточный рацион и потребление воды в течение экспериментального периода. Мышей умерщвляли смещением шейных позвонков под глубокой ингаляционной анестезией изофлураном в назначенное количество дней после операции по рассечению. Икроножные и камбаловидные мышцы быстро иссекали с обеих задних конечностей, немедленно погружали в холодный изопентан и хранили при -80 ° C для последующих анализов.
Анализ энергетического метаболизма
В конце периода лечения мышей умерщвляли и икроножную мышцу вырезали и измельчали пинцетом в чашке Петри, наполненной базальной средой Игла, модифицированной Дульбекко (DMEM) без бикарбоната натрия, с доведенным до pH 7,4. После того, как образец был собран и диспергирован в микропланшете для захвата островков XF24, было добавлено 500 мкл предварительно нагретого DMEM. После достижения равновесия базальный энергетический метаболизм икроножной мышцы анализировали с помощью анализатора Seahorse XF-24 (Seahorse Bioscience, North Billerica, MA, USA).Программа была установлена следующим образом: 10 циклов по 3 мин перемешивания, 2 мин ожидания и 3 мин измерения. Значение pH, скорость потребления кислорода (OCR, пмоль / мин) и скорость внеклеточного закисления (ECAR, миль / ч / мин) регистрировались одновременно. Данные были нормализованы по содержанию белка.
Гистохимические анализы и измерения размера волокна
Гистопатологическая оценка была проведена на 10 мкм замороженных срезах биопсии мышц. Дифференциальное окрашивание, включая гематоксилин и эозин (H & E), NADH-тетразолийредуктазу (NADH-TR) и оксидазу цитохрома c (COX), проводили согласно ранее описанным методам [20].Наконец, предметные стекла были промыты в деионизированной воде и затем помещены на покровные стекла для дальнейшего исследования под микроскопом. Размер мышечных волокон измеряли с помощью Image J Software (NIH, Bethesda, MD, USA), и значения были нормализованы к контрольной группе.
Вестерн-блот
Белок выделяли из икроножной мышцы путем гомогенизации в буфере для лизиса (PBS, 0,1% Triton X-100/1 мМ EDTA, pH 7,4), содержащем полные ингибиторы протеаз (Roche Diagnostics). Образцы (20 мкг) общих клеточных лизатов были электрофоретически фракционированы по размеру 10% -ным полиакриламидным додецилсульфатом натрия-полиакриламидным гелем и перенесены на поливинилидендифторидную мембрану (PVDF) с использованием системы электропереноса BioRad Mini Protean.Затем блоты инкубировали с 5% обезжиренным молоком в фосфатно-солевом буфере с Tween-20 в течение 1 часа для блокирования неспецифического связывания и зондировали в течение ночи при 4 ° C со специфическими антителами против PGC-1α, митохондриального фактора транскрипции A (TFAM). , глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH) и β-актин (Biochiefdom, Тайбэй, Тайвань) соответственно. Затем мембраны детектировали путем инкубации с соответствующими вторичными антителами, конъюгированными с пероксидазой, в течение 1 ч при комнатной температуре. Мембраны дополнительно промывали промывочным буфером PBS, содержащим Твин-20 (PBST).После последней промывки PBST сигналы проявляли с помощью усиленной хемилюминесценции (Merck Millipore, Дармштадт, Германия) и контролировали с помощью системы UVP BioSpectrum (Analytik Jen. Upland, CA, США). Интенсивность сигнала определяли количественно с помощью Image J Software.
Комплексный анализ митохондриальной электронной транспортной цепи
После умерщвления икроножную мышцу вырезали и измельчали бритвенными лезвиями. Измельченную ткань смешивали с 10-кратным объемом (W / V) буфера для выделения, содержащего 100 мМ KCl, 50 мМ Tris-HCl, 2 мМ EGTA, 0.5% бычий сывороточный альбумин (BSA), pH 7,4 при 4 ° C, гомогенизировали в ступке за 6 проходов с использованием пестика средней плотности. Гомогенат центрифугировали при 2000 × g, 4 ° C в течение 5 мин. Супернатант собирали и центрифугировали при 10000 × g в течение 10 мин. Супернатант отбрасывали и осадок ресуспендировали в среде для выделения, а затем снова центрифугировали при 10000 × g в течение 10 мин. Супернатант отбрасывали, а осадок ресуспендировали в 500 мкл среды для выделения. Концентрацию белка в митохондриальных суспензиях определяли с использованием набора бицинхониновой кислоты (BCA) с BSA в качестве стандарта (Pierce ™ BCA Protein Assay Kit, Life Technologies, Тайбэй, Тайвань).Для митохондриальных комплексов ETC проводили электрофорез в 10% полиакриламидном геле для разделения белков с последующим электроблоттингом на PVDF-мембраны (Bio-Rad). Уровни белков митохондриальных маркерных белков комплексов окислительного фосфорилирования (OXPHOS) (субъединица 20 кДа комплекса I, субъединица 30 кДа комплекса II, субъединица 48 кДа комплекса III, субъединица I 40 кДа комплекса IV и субъединица α 55 кДа комплекса V, F 0 F 1 АТФ-синтаза) детектировали с использованием коктейля антител для вестерн-блоттинга Rodent Total OXPHOS Complexes в соответствии с протоколом производителя (Abcam, Cambridge, UK).
Экспрессия матричной РНК целевых генов
Суммарную РНК экстрагировали из икроножной мышцы как денервированных, так и контрольных задних конечностей с помощью реагента TRIzol (TriReagent, Цинциннати, Огайо, США) на основе гуанидинтиоцианатного метода. Замороженные мышцы механически гомогенизировали на льду в 1 мл ледяного TriReagent. Общую РНК солюбилизировали в свободной от РНКазы H 2 O и количественно определяли в двух экземплярах путем измерения оптической плотности (OD) при 260 нм. Чистота РНК была подтверждена исследованием соотношения OD260 / OD280.Тотальную РНК (2 мкг) синтезировали в кДНК с использованием набора для синтеза первой цепи кДНК с использованием метода праймера олиго (dT) (Toyobo, Осака, Япония) с последующей обработкой ДНКазой. Была проведена контрольная реакция обратной транскрипции (RT), в которой не использовался фермент обратной транскриптазы. Контрольную реакцию RT использовали, чтобы убедиться, что ДНК не загрязняет образец РНК. Для измерения уровней мРНК генов-мишеней была проведена количественная ОТ-ПЦР. После синтеза кДНК первой цепи из мРНК, синтез второй цепи и амплификация генов-мишеней были выполнены следующим образом: анализ ПЦР в реальном времени PGC-1α , TFAM , UCP-2 , катепсина L (CPL) и тяжелой цепи миозина ( MyHC ) изоформ ( MyHC Ib , MyHC IIa , MyHC IIb , MyHC IIx / d ) в присутствии специфических праймеры, предназначенные для амплификации целевого гена с использованием набора для мастер-микса Ampliq (Ampliqon, Skovlunde, Дания) и термоциклера ABI 7300 (Applied Biosystems, Foster City, Калифорния, США).Реакционную смесь (25 мкл) подвергали 40 циклам по 30 секунд при 96 ° C, 30 секунд при 55-60 ° C и 30 секунд при 72 ° C, и результаты анализировали с использованием системного программного обеспечения ABI 7300.
Статистический анализ
Все данные представлены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего (SEM). Для оценки различий между группами Con, Sham, Den и Dep в разные моменты времени использовали односторонний дисперсионный анализ с апостериорным критерием Фишера для различий по методу наименьших квадратов. Статистическая значимость определяется как P <0.05.
Результаты
Введение PQQ замедляет атрофию мышц и восстанавливает функцию митохондрий
Чтобы оценить влияние аксотомии на истощение скелетных мышц, мышей C57BL6 / J односторонне денервировали путем перерезания седалищного нерва правой задней конечности, при этом левая конечность служила внутренним контролем. В отличие от контрольной группы, 21 -й -й день после денервации привел к атрофии мышц и сдвигу в сторону окислительных волокон, о чем свидетельствует уменьшение площади поперечного сечения волокон при окрашивании H&E и более высокая интенсивность NADH-TR и COX. окрашивание (рис. 1E, 1H и 1K).Окрашивание NADH-TR показало, что волокна с мозаичным рисунком, преимущественно быстросокращающиеся волокна, занимали наибольшую площадь в контрольной группе, но почти все волокна были медленными, как волокна после денервации. Чтобы исследовать, защищает ли PQQ от атрофии мышц, вызванной денервацией, осмотический насос ALZET®, содержащий PQQ, был имплантирован подкожно в правую нижнюю часть живота во время операции денервации, и рана зашита. Непрерывный прием PQQ замедлял истощение мышц после денервации и приводил к частичному сохранению содержимого заметно более крупных волокон (рис. 1F, 1I и 1L).Кроме того, аналогичный мозаичный узор был восстановлен в обработанной группе, совпадающий с таковым в контрольной группе (рис. 1I).
Рис. 1. Гистохимическое окрашивание икроножной мышцы после денервации.
Окрашивание H & E, NADH-TR и COX проводили на поперечных срезах замороженных мышц икроножных мышц толщиной 10 мкм из контрольной (Con), денервированной (Den) и денервированной группы (Dep), обработанной PQQ (Dep) 21 -й -й день после денервации. Масштабная линейка: 20 мкм; 200 ×.(A-C, стрелки указывают на мышцу задней конечности; окраска D-F, H и E; окраска G-I, NADH-TR; окраска J-L, окраска COX).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.g001
Снижение экспрессии гена, связанного с PGC-1α, и размера волокна после денервации
Мы дополнительно исследовали роль PGC-1α в атрофии мышц, вызванной денервацией. Как показано на S1 Fig, в исследуемые здесь моменты времени экспрессия мРНК PGC-1α , UCP-2 , TFAM и CPL в скелетных мышцах была увеличена, а затем снизилась на 3 -й день. и 21 -й -й день после денервации соответственно.Точно так же уровни белка PGC-1α на 21 -й день после денервации были значительно ( P <0,05) снижены (рис. 2A), что сопровождалось резким уменьшением площади поперечного сечения миофибрилл (рис. 2B). . Кроме того, введение PQQ приводило к значительному восстановлению уровня белка PGC-1α в денервированной скелетной мышце правой задней конечности, нормализованной по отношению к левой мышце задней конечности. Между тем, средний размер волокна был уменьшен примерно до 40% площади поперечного сечения по сравнению с контрольной группой.
Рис. 2. Снижение уровня PGC-1α в икроножной мышце после денервации и восстановления после лечения PQQ.
(A) Уровень белка PGC-1α определяли вестерн-блоттингом икроножных мышц денервированных (Den) и денервированных (Dep) групп, обработанных PQQ. β-актин определяется как домашний белок и используется в качестве контроля загрузки. (B) Статистический анализ данных двух независимых экспериментов (n = от 4 до 5 на группу). # и *, P <0.05, что указывает на значительную разницу по сравнению с группами Con и Den, соответственно.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.g002
PQQ нормализует энергетический метаболизм после нарушений, вызванных денервацией
Чтобы определить, как PQQ влияет на эффекты денервации на метаболизм мышц, исследовали базальную ОСА (митохондриальную активность), ECAR (скорость гликолиза) и отношение OCR к ECAR. Мы обнаружили, что как базальный OCR, так и ECAR были значительно ( P <0.05) увеличились в контрольных скелетных мышцах правой задней конечности по сравнению с мышцами левой задней конечности (рис. 3A и 3B). Сравнивая мышцы задних конечностей левого внутреннего контроля, группа, обработанная PQQ, показала более высокие показатели OCR и ECAR, чем группа, получавшая только денервацию. У денервированной группы, получавшей PQQ, соотношение OCR / ECAR было выше, чем у денервированной группы (рис. 3C). Это продемонстрировало, что профиль энергетического метаболизма денервированной группы, обработанной PQQ, был перепрограммирован в сторону окислительного фосфорилирования митохондрий (рис. 3D).
Рис. 3. Влияние PQQ на энергетический метаболизм денервированной икроножной мышцы.
На 21 день после денервации икроножную мышцу иссекали для определения базального OCR (A), ECAR (B) и отношения OCR к ECAR (C). (D) Значения OCR и ECAR Den и Dep были нанесены на график, чтобы показать разницу в метаболическом профиле между этими группами. Значения (n = от 3 до 5 на группу) представляют собой средние значения ± SEM. *, P <0,05, что указывает на значительную разницу между группами.DenL, DenR, DepL и DepR представляют левый внутренний контроль (L) и правую денервированную (R) мышцу задней конечности из денервированной (Den) или денервированной группы, обработанной PQQ (Dep), соответственно.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.g003
Изменения в типе мышечных волокон после денервации
Мы также исследовали, влияет ли лечение PQQ на изменение типа мышечных волокон после денервации. Как показано на фиг.4, уровни экспрессии подтипов MyHC в икроножной мышце показали, что денервация индуцировала значительный сдвиг мышечных волокон в сторону типов Ib и IIa по сравнению с контрольной группой ( P <0.05). Интересно, что введение PQQ не только усиливало экспрессию волокон типа Ib и IIa, но также индуцировало экспрессию волокон типа IIx / d.
Рис. 4. Экспрессия мРНК миозина после денервации.
Количественная ОТ-ПЦР в реальном времени для подтипов миозина икроножной мышцы в денервированной (Den) и группе, получавшей PQQ (Dep), на 21-й -й день после денервации. Данные выражены как правая денервированная мышца относительно контралатеральной неденервированной левой мышцы задней конечности той же мыши, нормализованные к контрольной группе.# и *, P <0,05, что указывает на значительные различия по сравнению с группами Con (контроль) и Den (денервация) соответственно.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.g004
Изменения в метаболизме гликолитической и митохондриальной энергии после денервации
Мы дополнительно исследовали белки, участвующие в регуляции энергетического метаболизма после денервации. Как показано на фиг.5А, уровень белка GAPDH, одного из критических белков, участвующих в гликолизе, был значительно снижен в правой задней конечности после седалищной аксотомии ( P <0.05). Кроме того, экспрессия TFAM в правой задней конечности также была ниже, чем в контрольной мышце левой задней конечности после денервации. Однако непрерывное введение PQQ резко увеличивало уровни как GAPDH, так и TFAM (рис. 5B).
Рис. 5. Изменения в гликолитическом и митохондриальном энергетическом метаболизме после денервации.
(A) Вестерн-блоттинг экспрессии GAPDH и TFAM в группах денервации (Den) и денервации, которым вводили PQQ (Dep). (B) Статистический анализ данных вестерн-блоттинга (n = от 3 до 5 каждого).*, P <0,05, что указывает на значительную разницу по сравнению с группой Den.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.g005
Восстановление функции митохондриальных комплексов после лечения PQQ
Мы также исследовали, влияет ли денервация на окислительную функцию митохондрий посредством модуляции митохондриальных комплексов ETC. Экспрессию митохондриальных комплексов в скелетных мышцах из контрольной, имитирующей, денервированной и группы, получавшей PQQ, оценивали на 7 и 21 дней после денервации, соответственно.Комплексы OXPHOS не показали изменений на 7 -й день после денервации (фиг. 6А). Однако уровни белка всех комплексов OXPHOS, за исключением комплекса V, были значительно ( P <0,05) снижены в правой задней конечности на 21 -й день после денервации (рис. 6В). Наиболее резкое снижение наблюдалось в НАДН-ТР и ЦОГ. Однако уровни белка субъединиц комплекса II и IV были значительно восстановлены после обработки PQQ ( P <0.05, S2 Рис).
Рис. 6. Вестерн-блот митохондриальных комплексов OXPHOS.
Коктейль антител против белков, представляющих пять митохондриальных комплексов окислительного фосфорилирования, был использован для исследования экспрессии митохондриальных белков в скелетных мышцах в контрольной (Con), ложно оперированной (Sham), денервированной (Den) группе и группах, которым вводили PQQ ( Dep) на 7 (A) и 21 дней (B) после денервации.
https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0143600.g006
Обсуждение
Травматическое повреждение периферического нерва осложняется из-за необратимых эффектов, если реиннервация задерживается. Отсутствие двигательного восстановления после повреждения нерва может быть результатом неспособности реформирования синапсов после длительной денервации, а не отказа роста аксонов [21]. Другим осложняющим фактором может быть денервация скелетных мышц, вызванная апоптозом и атрофией мышц [22, 23]. Многие клеточные структурные изменения были описаны после денервации, включая изменения количества и размера митохондрий [24].В течение первых 4 месяцев после перерезки нерва потеря капилляров была почти линейной, с постепенным уменьшением неделя за неделей [25]. Предыдущее гистохимическое исследование показало, что количество волокон типа II, наблюдаемых в замороженных мышцах, уменьшилось примерно на сорок процентов через четыре недели после денервации, хотя этот результат не был статистически значимым. Заметные изменения показали, что процент медленных миозинов остается низким в контралатеральной икроножной мышце, тогда как она увеличивается до 95% в денервированной икроножной мышце [23, 26].Таким образом, изменение типа волокон наблюдалось после денервации ишиасного нерва. Эти упомянутые выше результаты были совместимы с нашими выводами о том, что количество гликолитических волокон уменьшилось после денервации, о чем свидетельствует сниженный уровень белка GAPDH в икроножной мышце (рис. 1H, 1K и рис. 4).
Насколько нам известно, это первое исследование in vivo , в котором изучалось влияние природного антиоксиданта PQQ на атрофию скелетных мышц, вызванную денервацией.Непрерывное и регулярное введение PQQ было достигнуто с помощью осмотического насоса ALZET®, который оказался чрезвычайно полезным инструментом для долгосрочной непрерывной доставки соединений в исследовательских целях [27, 28]. Мы исследовали икроножную мышцу, а не камбаловидную мышцу, так как почти половина икроножной мышцы быстро истощилась через 10 дней после денервации [29]. Гистоэнзимология скелетных мышц успешно применяется для классификации функционально различных групп волокон. В нашем исследовании краткосрочная денервированная икроножная мышца проявляла более окислительный фенотип, о чем свидетельствует большее содержание активности NADH-TR и ЦОГ и сдвиг к мышечным волокнам типа Ib и IIa (рис. 1 и 4) по сравнению с контрольной мышцей.Постоянное добавление PQQ привело к частичному восстановлению размера волокон и функции митохондрий. Многие исследования предложили возможные механизмы, с помощью которых регуляция PGC-1α приводит к переключению типа волокна. Когда PGC-1α экспрессируется на физиологических уровнях у трансгенных мышей, управляемых промотором MCK, наблюдается преобразование типа волокна. Экспрессия PGC-1α в скелетных мышцах может регулироваться кальциевой / кальмодулиновой киназой IV и кальциневрином A посредством связывания белка CREB с промотором PGC-1α [30], фактором усиления миоцитов 2 и вилкой при рабдомиосаркоме.Миогенные основные белки спираль-петля-спираль, особенно MyoD, могут активировать экспрессию PGC-1α, воздействуя на его промотор. Более того, недостаток PGC-1α ведет к снижению содержания митохондрий, уменьшению мышечной массы и миопатическому фенотипу, о чем свидетельствует накопление мультивезикулярных тел и тубулярных агрегатов [31].
Дисфункция митохондрий — один из наиболее часто критических механизмов атрофии мышц. Недавно одно исследование показало, что ограничение калорийности (CR) ослабляет возрастную потерю мышечной массы за счет активации AMPK и SIRT1, что приводит к увеличению содержания COX IV.CR индуцировал перепрограммирование гликолиза, а окислительное фосфорилирование митохондрий сопровождалось поддержанием мышечной массы во время старения [32]. Кроме того, клиническое исследование показало, что длительная денервация, вызванная атрофией скелетных мышц человека, сопровождается снижением гликогенолитической и гликолитической ферментативной активности [33]. Интересно, что Сингх и Худ показали, что потребление кислорода и продукция ROS неожиданно активируются в субарколеммальных митохондриях, изолированных из денервированных передних большеберцовых мышц [8].В настоящем исследовании мы обнаружили, что денервированная группа продемонстрировала некоторые существенные явления: (1) снижение уровня белка GAPDH и (2) увеличение значений OCR и ECAR на 21 -й -й день после денервации. Из-за сложности митохондриальной дисфункции и атрофии мышц в разные периоды денервации лечение PQQ замедляло выполнение вызванной денервацией атрофии мышц, возможно, за счет модуляции ранних адаптаций митохондриальной функции и метаболического поведения.Это событие может также отражать данные о том, что PGC-1α играет центральную роль в регуляции переключения волокон с гликолитического на окислительный тип [10]. В случае денервации деградация комплексов PGC-1α и ETC и снижение гликолитической ферментативной активности приводят к усилению митохондриального фосфорилирования и гликолиза в ответ на утечку энергии. Однако устойчивое накопление ROS в конечном итоге приводит к активации протеолитических сигналов, включая каспазы, апоптоз, аутофагию и протеасомную систему, все из которых способствуют деградации белка.Аналогичные результаты были получены на модели клеток скелетных мышц, которая показала, что уровни OXPHOS значительно увеличиваются в клетках, обработанных галактозой, по сравнению с клетками, обработанными глюкозой, и что значение ECAR повышается, когда синтез АТФ блокируется [34].
Наши результаты показали временное повышение уровня мРНК PGC-1α после кратковременной денервации (S1 Рис.), Но общий уровень белка PGC-1α снизился (Рис. 2). В соответствии с предыдущими наблюдениями экспрессии [35], на 3 -й -й день после денервации временное увеличение никотинового ацетилхолинового рецептора эмбрионального типа (nAChR) резко контрастирует с экспрессией субъединицы взрослого типа ε- РНК; однако длительная денервация мышц в конечном итоге привела к снижению экспрессии nAChR эмбрионального типа.Таким образом, мы предположили, что тенденция экспрессии PGC-1α и его регулируемых мишеней аналогична тенденции экспрессии nAChR при адаптации к денервации. Действие завершается, когда сигналы передаются от мозга к скелетной мышце. Потенциал действия передает сообщение скелетным мышцам о сокращении через nAChR. Было отмечено, что после денервации митохондрии играют важную апоптотическую роль, выступая в качестве центрального модулятора [36]. CPL представляет собой лизосомную протеиназу, экспрессия которой также повышается при атрофии скелетных мышц в результате неиспользования и денервации [37].Транскрипционные изменения, связанные с быстрым неиспользованием и атрофией денервации, могут быть аналогичны изменениям при истощении мышц при системных заболеваниях. Также сообщалось, что вызванное метаболическим стрессом нарушение потенциала митохондриальной мембраны сопровождается увеличением концентрации свободного кальция в цитоплазме (Ca 2+ ) [38]. Наконец, CPL был активирован с последующей индукцией Ca 2+ -зависимой протеинкиназы C [37]. В настоящем исследовании мы обнаружили, что уровень мРНК CPL значительно увеличился по сравнению с контрольной и фиктивной группами на 3 -й -й день после денервации (S1 фиг.).Это предполагает, что CPL может играть роль в ассоциации с PGC-1α в процессе деградации белка после денервации.
PQQ является третьим бактериальным окислительно-восстановительным кофактором после никотинамида и флавина, и было показано, что он является важным питательным веществом для роста животных. PQQ не только опосредует окислительно-восстановительные реакции в дыхательной цепи митохондрий, но также играет потенциальную роль в улавливании АФК и ослаблении окислительного стресса в митохондриях [39]. Chowanadisai et al. продемонстрировали, что PQQ фосфорилирует CREB, который впоследствии активирует промотор PGC-1α и увеличивает экспрессию мРНК PGC-1α [18].Кроме того, активируются ядерные респираторные факторы NRF-1, NRF-2 и TFAM. Таким образом, PQQ может индуцировать митохондриальный биогенез в гепатоцитах мышей. Однако мало исследований изучали, затрагиваются ли комплексы OXPHOS. Мы обнаружили, что комплексная функция (особенно комплекс II и IV) нарушается после денервации (S2, фиг.). Однако PQQ (активатор PGC-1α) был способен восстанавливать функцию комплексов OXPHOS в денервированных скелетных мышцах. В целом возможный механизм, связанный с PQQ-связанной задержкой развития против вызванной денервацией атрофии скелетных мышц, проиллюстрирован на рис.
Рис. 7. Сводная информация о передаче сигналов, стимулированной денервацией седалищного нерва, приводящей к подергиванию и атрофии скелетных мышц, а также о возможных действиях PQQ.
В случае денервации PGC-1α ослабляется, а затем происходит подавление UCP-2, TFAM, NRF1 и NRF2. После этого происходит нарушение митохондриального мембранного потенциала и повышающая регуляция CPL и PKC из-за накопления ROS и увеличения [Ca 2+ ], что приводит к деградации белка и атрофии мышц (A).Введение PQQ приводит к увеличению уровня белка PGC-1α, замедлению деградации белка и атрофии мышц после денервации. В конце концов, сильный антиоксидант PQQ имеет эффект перепрограммирования митохондриальной целостности OXPHOS и метаболической биоэнергетики (B).
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.g007
Выводы
С клинической точки зрения, вовлечены множественные патологические изменения, такие как дегенерация аксонов, удаление шванновских клеток из области нервно-мышечного соединения и атрофия мышц.Денервация мышцы приводит к атрофии миофиброза, фиброзу и инфильтрации жировой ткани. Эти изменения становятся необратимыми при задержке иннервации. Таким образом, важно предотвратить атрофию скелетных мышц, чтобы избежать продолжающегося апоптоза. Взятые вместе, эта работа демонстрирует критическую роль PGC-1α в миопатогенезе. Для предотвращения атрофии активация митохондриального пути OXPHOS через активатор PGC-1α может предоставить дополнительные возможности для новых методов лечения на ранних стадиях мышечной денервации.
Дополнительная информация
S1 Рис. Экспрессия мРНК PGC-1α и PGC-1α-регулируемых факторов после денервации.
Количественная ОТ-ПЦР в реальном времени для PGC-1α , UCP-2 , TFAM и CPL в контрольной (Con), ложно оперированной (Sham) и денервированной (Den) икроножной мышце на 3 -е -е сутки и 21-е -е на сутки после операции по рассечению. Данные выражены в виде относительной складки, представляющей правую денервированную мышцу задней конечности по сравнению с контрлатеральной неденервированной левой мышцей задней конечности той же мыши. PGC-1α , UCP-2 , TFAM и CPL были значительно увеличены на 3 -й день , а затем постепенно снизились на 21-й -й день после денервации (n = 3-5 для каждой группы). *, P <0,05 по сравнению с другими группами.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.s001
(JPG)
S2 Рис. Количественная оценка данных вестерн-блоттинга комплексов митохондриальной цепи переноса электронов OXPHOS.
Экспрессия пяти митохондриальных комплексов ETC варьировала в ответ на различные виды лечения. # и *, P <0,05, что указывает на значительную разницу по сравнению с контрольной (Con) и денервационной (Den) группами, соответственно.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0143600.s002
(JPG)
Благодарности
Мы благодарим доктора Хси Чанг (кафедра педиатрии, Тайбэйский медицинский университет) за материальную поддержку и Мэй-Чен Ло, Йо-Линь Чен и И-Вен Ву за техническую помощь с вестерн-блоттингом и КПЦР в реальном времени.Мы также благодарим Core Facility Center (Центр содействия исследованиям, Тайбэйский медицинский университет) за техническую помощь.
Вклад авторов
Задумал и спроектировал эксперименты: HML GCY SHK. Проведены эксперименты: YTK PHS. Проанализированы данные: ЫТК ПХС ШК. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: HML GCY SHK. Написал статью: YTK PHS HML GCY SHK. При финансовой поддержке исследовательских фондов: SHK HML.
Ссылки
- 1.
Скьяффино С., Реджиани К.Типы волокон в скелетных мышцах млекопитающих. Physiol Rev.2011; 91 (4): 1447–531. pmid: 22013216
- 2.
Ван И, Пессин Дж. Механизмы волоконной специфичности атрофии скелетных мышц. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2013; 16 (3): 243–50. pmid: 234
- 3.
Sandona D, Desaphy JF, Camerino GM, Bianchini E, Ciciliot S, Danieli-Betto D, et al. Адаптация скелетных мышц мыши к длительной микрогравитации в миссии MDS. PLoS One. 2012; 7 (3): e33232. pmid: 22470446
- 4.Карраро Ю., Бонкомпаньи С., Гоббо В., Россини К., Зампиери С., Мосоле С. и др. Стойкая регенерация мышечных волокон при длительной денервации. Прошедшее настоящее будущее. Eur J Transl Myol. 2015; 25 (2): 77–92. pmid: 25844146
- 5.
Degens H, Kosar SN, Hopman MT, de Haan A. Динамика изменений, вызванных денервацией, сходна в камбаловидной мышце взрослых и старых крыс. Appl Physiol Nutr Metab. 2008; 33 (2): 299–308. pmid: 18347685
- 6.
Эшли З., Сазерленд Х., Ланмюллер Х., Рассольд М.Ф., Унгер Э., Биджак М. и др.Атрофия, но не некроз скелетных мышц кролика, денервированных на срок до одного года. Am J Physiol Cell Physiol. 2007; 292 (1): C440–51. pmid: 17218372
- 7.
Hepple RT. Вовлечение митохондрий и влияние на стареющие скелетные мышцы. Front Aging Neurosci. 2014; 6: 211. pmid: 25309422
- 8.
Сингх К., Худ Д.А. Влияние неиспользования мышц, вызванного денервацией, на импорт митохондриального белка. Am J Physiol Cell Physiol. 2011; 300 (1): C138–45. pmid: 201
- 9.Czubryt MP, McAnally J, Fishman GI, Olson EN. Регуляция коактиватора гамма рецептора, активируемого пролифератором пероксисом, 1 альфа (PGC-1 альфа) и функции митохондрий с помощью MEF2 и HDAC5. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2003; 100 (4): 1711–6. pmid: 12578979
- 10.
Сакума К., Ямагути А. Функциональная роль кальциневрина в гипертрофии, регенерации и нарушениях скелетных мышц. J Biomed Biotechnol. 2010; 2010: 721219. pmid: 20379369
- 11.
Сандри М., Лин Дж., Хандшин С., Янг В., Арани З. П., Леккер Ш. и др.PGC-1alpha защищает скелетные мышцы от атрофии, подавляя действие FoxO3 и транскрипцию специфичных для атрофии генов. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2006; 103 (44): 16260–5. pmid: 17053067
- 12.
Датт В., Гупта С., Дабур Р., Инджети Е., Миттал А. Атрофия скелетных мышц: потенциальные терапевтические агенты и их механизмы действия. Pharmacol Res. 2015; 99: 86–100. pmid: 26048279
- 13.
Харрис CB, Chowanadisai W, Мищук DO, Satre MA, Slupsky CM, Rucker RB. Диетический пирролохинолинхинон (PQQ) изменяет показатели воспаления и митохондриальный метаболизм у людей.J Nutr Biochem. 2013; 24 (12): 2076–84. pmid: 24231099
- 14.
Ян Л., Ронг З., Цзэн М., Цао И, Гун Х, Линь Л. и др. Пирролохинолинхинон защищает клетки пульпозного ядра от апоптоза, вызванного перекисью водорода, путем ингибирования митохондриально-опосредованного пути. Eur Spine J. 2015; 24 (8): 1702–10. pmid: 25349108
- 15.
Мин З, Ван Л., Джин Дж, Ван Х, Чжу Б., Чен Х и др. Пирролохинолинхинон индуцирует апоптоз раковых клеток посредством митохондриально-зависимого пути и подавляет экспрессию клеточного белка Bcl-2.J Рак. 2014; 5 (7): 609–24. pmid: 25161699
- 16.
Hara H, Hiramatsu H, Adachi T. Пирролохинолинхинон является мощным нейропротекторным питательным веществом против нейротоксичности, вызванной 6-гидроксидофамином. Neurochem Res. 2007; 32 (3): 489–95. pmid: 17268846
- 17.
Gong D, Geng C, Jiang L, Aoki Y, Nakano M, Zhong L. Влияние пирролохинолинхинона на невропатическую боль после хронического сужения седалищного нерва у крыс. Европейский журнал фармакологии.2012. 697 (1–3): 53–8. pmid: 23063836
- 18.
Чованадисай В., Бауэрли К.А., Чапариан Э., Вонг А., Кортопасси Г.А., Ракер РБ. Пирролохинолинхинон стимулирует митохондриальный биогенез за счет фосфорилирования белка, связывающего элемент ответа цАМФ, и увеличения экспрессии PGC-1alpha. J Biol Chem. 2010; 285 (1): 142–52. pmid: 19861415
- 19.
Бауэрли К., Харрис С., Чованадисай В., Грэм Дж., Гавел П.Дж., Чапариан Э. и др. Изменение нутритивного статуса пирролохинолинхинона модулирует митохондриальный, липидный и энергетический метаболизм у крыс.ПлоС один. 2011; 6 (7): e21779. pmid: 21814553
- 20.
Дубовиц В. Загадочный конфликт клинической и молекулярной диагностики при мышечной дистрофии Дюшенна / Беккера. Нервно-мышечное расстройство. 2006; 16 (12): 865–6. pmid: 17118656
- 21.
Ли Л., Пан Р., Ли Р., Ниманн Б., Аурих А.С., Чен Ю. и др. Митохондриальный биогенез и деацетилирование рецептора-гамма-коактиватора-1альфа (PGC-1альфа), активируемого пролифератором пероксисом, при физической активности: требуется интактная передача сигналов адипоцитокинов.Диабет. 2011; 60 (1): 157–67. pmid: 207
- 22.
Адхетти П.Дж., О’Лири М.Ф., Чаби Б., Уикс К.Л., Худ Д.А. Влияние денервации на митохондриально опосредованный апоптоз скелетных мышц. J Appl Physiol. 2007; 102 (3): 1143–51. pmid: 17122379
- 23.
Борисов АБ, Карлсон БМ. Гибель клеток денервированных скелетных мышц отличается от классического апоптоза. Анат Рек. 2000; 258 (3): 305–18. pmid: 10705351
- 24.
Мидрио М. Денервированные мышцы: факты и гипотезы.Исторический обзор. Eur J Appl Physiol. 2006; 98 (1): 1-21. pmid: 168
